Кардиостимулятор — это небольшое устройство, работающее от батарейки, которое имплантируется в грудную клетку и регулирует сердцебиение людей с такими заболеваниями, как выраженная брадикардия и блокада сердца.

Художественная визуализация показывает, как новый кардиостимулятор, разработанный группой исследователей под руководством ученых из Университета Аризоны, может обхватывать сердце. Philipp Gut

По данным Centers for Disease Control and Prevention, аритмия приводит к 54 000 госпитализаций и вызывает около 158 000 смертей каждый год. Несмотря на то, что кардиостимуляторы спасают жизни многим людям, их имплантация является инвазивным вмешательством, а процесс кардиостимуляции, который обеспечивают эти устройства, может быть неудобным и довольно болезненным.

"Все клетки сердца получают удар одновременно, включая болевые рецепторы. Именно это делает кардиостимуляцию или дефибрилляцию крайне болезненным процессом", - рассказывает Филипп Гутруф, доцент кафедры биомедицинской инженерии University of Arizona. " Это негативно сказывается на сердечной мышце в целом".

Нынешние кардиостимуляторы требуют одной или двух точек контакта с сердцем. Согласно релизу, "если датчики на этих контактах обнаруживают опасное нарушение в работе сердца, они посылают электрический разряд через сердце, чтобы сбросить ритм".

Для решения этой проблемы Гутруф и группа исследователей разработали беспроводной электрокардиостимулятор без батареек. Его можно имплантировать в процессе малоинвазивной процедуры, и при этом пациенты будут испытывать меньше боли. Конструкция включает в себя всю область сердца вместо имплантации проводов, которые служат ограниченными точками контакта.

Модель включает структуры, похожие на лепестки, которые охватывают всю область сердца

Разработанное устройство позволило отправлять кардиостимулятору более точечные сигналы с помощью новой сетчатой конструкции, изготовленной цифровым способом, которая охватывает все сердце. В аппарате используется техника, известная как оптогенетика. Такой подход позволяет снизить болевые ощущения у пациентов, так как "не затрагивает болевые рецепторы сердца". Кроме того, такой кардиостимулятор более эффективно реагирует на различные нарушения.

В качестве примера исследователи приводят такую ситуацию: "При фибрилляции предсердий верхняя и нижняя камеры сердца сокращаются асинхронно. Роль кардиостимулятора заключается в том, чтобы заставить их биться слаженно".

В работе нового устройства используются оптогенетика - методика, которая модифицирует клетки, чувствительные к свету, а затем с помощью света влияет на поведение этих клеток. Philipp Gutruff 

"Если сейчас для этого нам приходится бить током по всему сердцу, то новые устройства могут делать это более точно. Таким образом, дефибрилляция будет более эффективной и менее болезненной", - считает Игорь Ефимов, проф. биомедицинской инженерии и медицины в Northwestern University. " Такая технология может облегчить жизнь пациентам во всем мире, а также поможет ученым и врачам узнать больше о том, как контролировать и лечить это заболевание".

Новая модель, которая пока не испытывалась на людях, состоит из четырех структур, напоминающих лепестки. Они выполнены из тонкой гибкой пленки и содержат источники света и регистрирующий электрод. Примечательно, что при изменении формы сердца лепестки подстраиваются под него и даже обхватывают по бокам, защищая орган.

Новый кардиостимулятор воздействует на сердце с помощью света

"Современные кардиостимуляторы регистрируют в основном простые пороговые значения. Они сообщают вам: "Начинается аритмия, нужен шок", - говорит Гутруф. "Но у нового устройства есть встроенный компьютер, который позволяет использовать различные алгоритмы для более тонкой настройки ритма. Этот прибор создан для исследований".

Вместо электрических сигналов новый кардиостимулятор воздействует на сердце с помощью света. Это позволяет регистрировать информацию, даже в тот момент, когда кардиостимулятор проводит дефибрилляцию. В современных кардиостимуляторах такая возможность отсутствует, поскольку электрический сигнал от дефибрилляции может помешать записи, что может составить "неполную" картину кардиологических эпизодов.

Устройство не требует аккумулятора, что избавляет пациентов с кардиостимуляторами от необходимости замены батареи в устройстве каждые пять-семь лет.

Нынешняя модель была успешно испытана на животных моделях. Возможно, когда работа получит более широкое развитие, такое устройство станет настоящим спасением для миллионов людей.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Источники: Centers for Disease Control and Prevention
1. (https://www.cdc.gov/heartdisease/atrial_fibrillation.htm)
2. (https://news.arizona.edu/story/battery-free-light-powered-pacemaker-may-improve-quality-life-heart-disease-patients)