Inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA) opracowali nieinwazyjny rozrusznik, który stymuluje serce za pomocą ultradźwięków. Konstrukcja może w przyszłości stanowić niewymagającą operacji alternatywę dla tradycyjnych implantów kardiologicznych.

„Wierzymy, że pewnego dnia na ciele będzie można umieścić naklejki, które umożliwią długoterminowe obrazowanie głębokich tkanek, a także stymulację w celu uzyskania efektów terapeutycznych, w nieinwazyjny sposób” – powiedział profesor MIT Xuanhe Zhao.

Prototyp składa się z ultradźwiękowej naklejki (wielkości mniej więcej znaczka pocztowego), którą można nosić na klatce piersiowej, oraz kieszonkowego urządzenia zawierającego baterie i elektronikę.

Miniaturowe przetworniki na naklejce wysyłają impulsy ultradźwiękowe przez klatkę piersiową, aby stymulować serce. Fale ultradźwiękowe powodują otwarcie określonych kanałów jonowych w komórkach serca – efekt, który w celach doświadczalnych naukowcy wzmocnili dzięki inżynierii genetycznej. Otwarcie kanałów powoduje przepływ wapnia, który sygnalizuje komórce serca skurcz.

W eksperymentach laboratoryjnych udało się utrzymywać prawidłową kurczliwość komórek poddając zmodyfikowane genetycznie ludzkie komórki serca działaniu fal ultradźwiękowych. Przetestowano również naklejkę ultradźwiękową na szczurach: urządzenie szybko, bezpiecznie i nieinwazyjnie korygowało arytmie i przywracało prawidłowe, regularne skurcze serca.

Ta sama grupa zademonstrowała wcześniej projekt naklejki wykorzystującej ultradźwięki do obrazowania głębokich narządów i tkanek. Teraz naukowcy planują stworzyć naklejkę, która pozwala jednocześnie monitorować i regulować aktywność serca.

Obecnie około 3 miliony dorosłych w Stanach Zjednoczonych żyje z rozrusznikami serca. Te małe, zasilane bateryjnie urządzenia są chirurgicznie wszczepiane w klatkę piersiową pacjenta i służą do dostarczania impulsów elektrycznych w celu regulacji rytmu serca. Wszczepialne rozruszniki serca to powszechnie znana i generalnie bezpieczna metoda leczenia, która jednak wiąże się z ryzykiem.

„Rozruszniki serca to jedne z najważniejszych i najpowszechniej stosowanych implantów wszczepianych ludziom, które uratowały miliony istnień” – powiedział współautor artykułu, dr Gengxi Lu z University of Southern California. „Są one jednak inwazyjne i mają bezpośredni kontakt z bijącym sercem. Marzeniem od wielu lat jest nieinwazyjna stymulacja serca za pomocą ultradźwięków” - zaznaczył.

Fale ultradźwiękowe odbijają się i rezonują ze strukturami w charakterystyczny sposób, co pozwala technikom na rozpoznanie i zobrazowanie narządów i tkanek wewnątrz ciała. Ultradźwięki można również kierować i skupiać, aby stymulować określone efekty terapeutyczne, na przykład w mózgu w leczeniu choroby Parkinsona czy Alzheimera.

Naukowcy odkryli również, że ultradźwięki mogą korzystnie wpływać na serce. Wcześniejsze badania na zwierzętach wykazały, że skoncentrowane ultradźwięki mogą bezpiecznie aktywować komórki serca, choć efekt ten był niespójny i słaby.

Zhao i jego współpracownicy starali się wzmocnić wpływ ultradźwięków na serce. W swoim nowym badaniu zastosowali sonogenetykę, która jest stosunkowo nowym podejściem, wywodzącym się z optogenetyki – techniki polegającej na genetycznej manipulacji określonymi częściami komórki w celu reagowania na światło. Podobnie sonogenetyka ma na celu genetyczną modyfikację komórek, aby reagowały na dźwięk, w tym ultradźwięki.

W swoich pracach nad opracowaniem rozrusznika serca ultradźwiękowego zespół najpierw starał się zwiększyć wrażliwość komórek serca na ultradźwięki za pomocą sonogenetyki. W laboratorium zastosowali standardowe metody, aby uzyskać komórki serca z embrionalnych komórek macierzystych, a następnie wprowadzili do komórek modyfikację genetyczną, która zwiększyła ich wrażliwość na ultradźwięki. W szczególności manipulacja ta doprowadziła do powstania kanałów jonowych, które otwierały się łatwiej w odpowiedzi na ultradźwięki.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ bar/