Este pequeño dispositivo se puede insertar con una jeringa y se disuelve cuando no sea necesario.
Los ingenieros de la Universidad Northwestern han desarrollado un marcapasos, tan pequeño, que puede caber dentro de la punta de una jeringa y ser inyectado en el cuerpo de forma no invasiva.
Aunque puede funcionar con corazones de todos los tamaños, es especialmente adecuado para los corazones pequeños y frágiles de los recién nacidos con defectos cardíacos congénitos.
Más pequeño que un grano de arroz, el marcapasos se acopla a un dispositivo portátil pequeño, suave, flexible e inalámbrico que se coloca sobre el pecho del paciente para controlar la estimulación.
Cuando el dispositivo portátil detecta un latido irregular, emite automáticamente un pulso de luz activando el marcapasos.
Estos pulsos cortos, que penetran la piel, el esternón y los músculos del paciente, controlan la estimulación.
Marcapasos temporales
Este modelo fue diseñado para pacientes que solo necesitan un marcapasos temporal, porque el marcapasos se disuelve fácilmente al dejar de ser necesario.
Todos sus componentes son biocompatibles, por lo que se disuelven, entre 9 y 12 meses, de forma natural en los biofluidos corporales, evitando así la extracción quirúrgica.
El estudio, publicado en la revista Nature , demuestra la eficacia del dispositivo en una serie de modelos animales grandes y pequeños, así como en corazones humanos de donantes de órganos fallecidos.
“Hemos desarrollado el marcapasos más pequeño del mundo”, afirmó John A. Rogers , pionero en bioelectrónica de Northwestern, quien dirigió el desarrollo del dispositivo.
“Existe una necesidad crucial de marcapasos temporales en el contexto de las cirugías cardíacas pediátricas, y en este caso, el uso donde la miniaturización del tamaño es fundamental.”
“Nuestra principal motivación fueron los niños”, afirmó Igor Efimov , cardiólogo experimental de Northwestern y codirector del estudio.
“Alrededor del 1% de los niños nacen con cardiopatías congénitas, independientemente de si viven en países con o sin recursos. La buena noticia es que estos niños solo necesitan un marcapasos temporal después de una cirugía.
En aproximadamente siete días, el corazón de la mayoría de estos pacientes se auto-reparará, pero esos siete días son cruciales.
Ahora podemos colocar este diminuto marcapasos en el corazón de un niño y estimularlo con un dispositivo suave, delicado y portátil. Y no se requiere cirugía adicional para extraerlo”.
Satisfacer una necesidad clínica insatisfecha
Este trabajo se basa en una colaboración previa entre Rogers y Efimov, en la que desarrollaron el primer dispositivo reabsorbible para marcapasos temporal.
Muchos pacientes necesitan marcapasos temporales después de una cirugía cardíaca, ya sea, mientras esperan un marcapasos permanente o para ayudar a restablecer una frecuencia cardíaca normal durante la recuperación.
Para el estándar actual de atención, los cirujanos cosen los electrodos al músculo cardíaco durante la cirugía. Los cables de los electrodos salen por la parte frontal del tórax del paciente, donde se conectan a un marcapasos externo que suministra una corriente para controlar el ritmo cardíaco.
Cuando el marcapasos temporal ya no es necesario, los médicos retiran sus electrodos. Las posibles complicaciones incluyen infección, desprendimiento, desgarro o daño tisular, sangrado y coágulos sanguíneos.
“Los cables sobresalen del cuerpo, conectados a un marcapasos externo”, dijo Efimov. “Cuando el marcapasos ya no es necesario, el médico lo extrae. Los cables pueden quedar envueltos en tejido cicatricial, pudiendo dañar el músculo cardíaco.
En respuesta a esta necesidad clínica, Rogers, Efimov y sus equipos desarrollaron su marcapasos disoluble, presentado en Nature Biotechnology en el 2021.
Este dispositivo, delgado, flexible y ligero, eliminó la necesidad de baterías voluminosas y hardware rígido, incluyendo cables.
El laboratorio de Rogers había inventado previamente el concepto de medicina electrónica biorreabsorbible: dispositivos electrónicos que brindan un beneficio terapéutico al paciente y luego se disuelven en el cuerpo sin causar daño, como suturas absorbibles.
Al variar la composición y el grosor de los materiales de estos dispositivos, el equipo de Rogers puede controlar con precisión el número de días que permanecen funcionales antes de disolverse.
Batería alimentada por fluido corporal
“Nuestro marcapasos original funcionó bien”, dijo Rogers. “Era delgado, flexible y totalmente reabsorbible. Pero el tamaño de su antena receptora limitó nuestra capacidad para miniaturizarlo.
Para reducir aún más el tamaño del dispositivo, en lugar de utilizar comunicación de campo cercano (NFC) para suministrar energía, el nuevo y diminuto marcapasos funciona mediante una celda galvánica, un tipo de batería simple que transforma la energía química en energía eléctrica.
Específicamente, el marcapasos utiliza dos metales diferentes como electrodos para enviar pulsos eléctricos al corazón. Al entrar en contacto con los biofluidos circundantes, los electrodos forman una batería. Las reacciones químicas resultantes hacen que la corriente eléctrica fluya para estimular el corazón.
“Cuando se implanta el marcapasos en el cuerpo, los biofluidos circundantes actúan como el electrolito conductor que une eléctricamente esas dos almohadillas metálicas para formar la batería”, explicó Rogers. “Un diminuto interruptor activado por luz, ubicado en el lado opuesto a la batería, nos permite encender el dispositivo al aplicar luz que atraviesa el cuerpo del paciente desde el parche cutáneo”.
Pulsando con luz
El equipo utilizó una longitud de onda de luz infrarroja que penetra profundamente y de forma segura en el cuerpo. Si la frecuencia cardíaca del paciente desciende por debajo de cierto nivel, el dispositivo portátil detecta el evento y activa automáticamente un diodo emisor de luz.
La luz parpadea a una frecuencia similar a la frecuencia cardíaca normal.
“La luz infrarroja penetra muy bien el cuerpo”, dijo Efimov. Nuestros cuerpos son excelentes conductores de la luz”.
Aunque el marcapasos es tan pequeño (mide apenas 1,8 milímetros de ancho, 3,5 milímetros de largo y 1 milímetro de grosor), proporciona tanta estimulación como un marcapasos de tamaño completo.
“El corazón requiere una mínima estimulación eléctrica”, dijo Rogers. “Al minimizar el tamaño, simplificamos drásticamente los procedimientos de implantación, reducimos el trauma y el riesgo para el paciente y, gracias a la naturaleza disoluble del dispositivo, eliminamos la necesidad de realizar extracciones quirúrgicas secundarias”.
Sincronización más sofisticada
Debido a su diminuto tamaño, los médicos podrían distribuir conjuntos de ellos por todo el corazón. Un color de luz complejo podría iluminarse para controlar de forma independiente un marcapasos específico.
Usando de esta manera los múltiples marcapasos permite una sincronización más sofisticada en comparación con la estimulación tradicional. En casos especiales, se pueden estimular diferentes áreas del corazón a ritmos diferentes, por ejemplo, para detener arritmias.
“Podemos colocar varios de estos pequeños marcapasos en la parte externa del corazón y controlar cada uno”, dijo Efimov.
“Gracias a su pequeño tamaño, este marcapasos puede integrarse con prácticamente cualquier tipo de dispositivo implantable”, afirmó Rogers.
La versatilidad de la tecnología abre una amplia gama de otras posibilidades de uso en medicinas bioelectrónicas, incluyendo ayudar a sanar nervios y huesos, tratar heridas y bloquear el dolor.
Sobre los investigadores
Rogers es profesor de la Cátedra Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Biomédica y Cirugía Neurológica en Northwestern.
Efimov es profesor de ingeniería biomédica en McCormick y profesor de medicina (cardiología) en Feinberg.
