Sterowany światłem rozrusznik pomoże pacjentom z niewydolnością serca. Urządzenie jest ultralekkie i biodegradowalne

Naukowcy z Chicago opracowali innowacyjny stymulator serca wykorzystujący do działania światło. Urządzenie, które działa podobnie jak ogniwa fotowoltaiczne, może być wszczepiane metodą małoinwazyjną, nie jest też wyposażone w elektrody i żadne ruchome elementy. Co ważne, w momencie gdy stymulacja mięśnia sercowego nie będzie już potrzebna, nie zajdzie konieczność przeprowadzania operacji usunięcia stymulatora. Jest on wykonany z biodegradowalnych materiałów, więc po pewnym czasie po prostu się rozpuści i zamieni w kwas krzemowy.

– Jest to rozrusznik tymczasowy. Nie służy on do długotrwałego użytku, lecz stanowi rozwiązanie przejściowe lub tymczasowe. W przypadku wielu problemów zdrowotnych, szczególnie po operacjach, pacjenci faktycznie potrzebują tymczasowych rozruszników serca, które pomogą regulować rytm serca przez krótki czas, na przykład około dwóch miesięcy. Dzięki naszemu biodegradowalnemu rozrusznikowi serca, nie trzeba będzie wykonywać dodatkowej operacji w celu usunięcia wyprowadzonego rozrusznika. Nasze urządzenie ulegnie naturalnej degradacji w organizmie. Takie rozwiązanie będzie więc bezpieczniejsze – informuje w wywiadzie dla agencji Newseria Innowacje prof. Bozhi Tian z Wydziału Chemii Uniwersytetu Chicagowskiego.

Urządzenie – w postaci elastycznej membrany – jest bezprzewodowe i zasilane światłem, a w dodatku ultralekkie i cieńsze niż grubość włosa. Stymulator nie jest wyposażony w żadne ruchome części. Można go wszczepić metodą minimalnie inwazyjną – za pomocą małej rurki. Do stymulacji serca wykorzystuje technologię podobną do tej, którą znamy z ogniw fotowoltaicznych. Zamiast baterii badacze wszczepiają obok maleńki światłowód, aby zapewnić zasilanie. Światłowód świeci według precyzyjnego wzoru, który membrana wychwytuje i zamienia na impulsy elektryczne.

– Używamy światła jako źródła energii i wykorzystujemy półprzewodniki jako przetworniki. Możemy stymulować komórki i tkanki na wielu obszarach, przy bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzenno-czasowej. Zasadniczo chodzi o to, że mamy urządzenie półprzewodnikowe, które jest umieszczane w warunkach fizjologicznych. Następnie doprowadzamy źródło światła i możemy wytworzyć określoną moc elektryczną na powierzchni materiału półprzewodnikowego. Uzyskana w ten sposób moc elektryczna może wprowadzić co najmniej przejściowe zmiany w środowisku chemicznym w obrębie półprzewodnika – wyjaśnia naukowiec.

Przejściowe zmiany chemiczne, do jakich dochodzi wskutek działania urządzenia, mogą wywoływać określoną aktywność w komórkach serca – gromadzić i rozprowadzać moc elektryczną po całym sercu. Zastosowanie urządzenia nie musi się jednak ograniczać do stymulacji serca. Może być ono również wykorzystywane m.in. do neuromodulacji, z jaką mamy do czynienia np. przy głębokiej stymulacji mózgu w leczeniu choroby Parkinsona. W tradycyjnym ujęciu zarówno stymulator pracy serca, jak i stymulator mózgu wymagają przeprowadzenia operacji wszczepienia elektrod.

– Wadą tradycyjnej metody opartej na elektrodach jest jednak to, że po wszczepieniu nie można łatwo zmienić lokalizacji elektrod, chyba że wykona się kolejny zabieg chirurgiczny. To inwazyjne i może się wiązać z uszkodzeniem tkanek i narządów lub ogólnie z pogorszeniem stanu pacjenta – wskazuje prof. Bozhi Tian. – To korzyść, która wiąże się z właściwościami materiału. W naszym przypadku jest to krzem. Jest on niezwykle stabilny, kiedy zastosujemy go w dysku komputera. Jeśli jednak umieścimy go na powierzchni, w warunkach, w których spodziewamy się dużej ilości płynu biologicznego, może on ulec naturalnej degradacji. Krzem nazywamy materiałem biokompatybilnym, a jednocześnie biodegradowalnym.

Pracę serca można byłoby teoretycznie stymulować również metodą optogenetyczną. Polega ona na używaniu światła jako sygnału wejściowego, a dodatkowo wiąże się z modyfikacją genetyczną komórek i tkanek. Sprawdza się dobrze podczas testów na małych zwierzętach, takich jak szczury. Przełożenie jej na model ludzki wywoływałoby jednak wątpliwości natury nie tylko technicznej, ale przede wszystkim etycznej.

– Nasze podejście polega na braku fotostymulacji genetycznej. Łączy ono w sobie zalety tradycyjnego stymulatora serca, który nie jest genetyczny, i zalety optogenetyki, która wykorzystuje światło. Wykorzystujemy zatem pozytywne aspekty dwóch tradycyjnych metod. Opracowaliśmy nową metodę i mamy nadzieję, że będzie można ją zastosować również w warunkach klinicznych. Korzyść jest więc taka, że zasadniczo możemy użyć światła, aby uzyskać dowolny dostęp lub mieć kontrolę nad stymulowanym pacjentem – wskazuje naukowiec.

Zespół badawczy, który opracował rozwiązanie, planuje intensyfikację prac nad jego komercjalizacją. Zajmie się tym założony przez twórców start-up. Jak podkreśla naukowiec, urządzenie może się pojawić na rynku w ciągu 10 lat.

Z danych Narodowego Instytutu Kardiologii wynika, że w Polsce rocznie wszczepia się około 30 tys. stymulatorów serca. Niemal pół miliona Polaków żyje z takim urządzeniem, najczęściej rozrusznikiem serca. Mamy jeden z najwyższych w Europie wskaźników takich urządzeń w populacji.