Drahtloser, batterieloser Herzschrittmacher könnte Herzpatienten das Leben erleichtern
Vorhofflimmern – eine Form von unregelmäßigem Herzschlag oder Arrhythmie – führt in den Vereinigten Staaten jedes Jahr zu mehr als 454.000 Krankenhauseinweisungen und fast 160.000 Todesfällen. Schätzungen zufolge sind weltweit etwa 60 Millionen Menschen von der Erkrankung betroffen.
Herzschrittmacher sind lebensrettende Geräte, die den Herzschlag von Menschen mit chronischen Herzerkrankungen wie Vorhofflimmern und anderen Formen von Herzrhythmusstörungen regulieren. Die Schrittmacherimplantation ist jedoch ein invasives Verfahren, und die lebensrettende Stimulation, die die Geräte bieten, kann äußerst schmerzhaft sein. Außerdem können Herzschrittmacher nur zur Behandlung einiger weniger spezifischer Arten von Krankheiten eingesetzt werden.
In einem am Mittwoch in Science Advances veröffentlichten Artikel beschreibt ein von der University of Arizona geleitetes Forscherteam die Funktionsweise eines von ihnen entwickelten drahtlosen, batterielosen Schrittmachers, der mit einem weniger invasiven Verfahren als derzeit möglich implantiert werden könnte und den Patienten weniger Schmerzen zufügen würde. Die Studie wurde von Forschern des Gutruf-Labors unter der Leitung von Philipp Gutruf, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik und Craig M. Berge-Fakultätskollege, geleitet.
Gegenwärtig verfügbare Herzschrittmacher funktionieren durch Implantieren von ein oder zwei Leitungen oder Kontaktpunkten mit Haken oder Schrauben in das Herz. Wenn die Sensoren an diesen Elektroden eine gefährliche Unregelmäßigkeit erkennen, senden sie einen elektrischen Schock durch das Herz, um den Schlag zurückzusetzen.
Alle Zellen im Herzen werden gleichzeitig getroffen, einschließlich der Schmerzrezeptoren, und das macht die Stimulation oder Defibrillation schmerzhaft. Es wirkt sich auf den Herzmuskel als Ganzes aus.“
Philipp Gutruf
Das von Gutrufs Team entwickelte und noch nicht am Menschen getestete Gerät würde es Herzschrittmachern ermöglichen, mithilfe eines neuen digital hergestellten Maschendesigns, das das gesamte Herz umfasst, viel gezieltere Signale zu senden. Das Gerät verwendet Licht und eine Technik namens Optogenetik.
Die Optogenetik modifiziert lichtempfindliche Zellen, normalerweise Neuronen, und verwendet dann Licht, um das Verhalten dieser Zellen zu beeinflussen. Diese Technik zielt nur auf Kardiomyozyten ab, die Zellen des Muskels, die die Kontraktion auslösen und den Herzschlag ausmachen. Diese Präzision wird nicht nur die Schmerzen von Schrittmacherpatienten reduzieren, indem sie die Schmerzrezeptoren des Herzens umgeht, sondern es dem Schrittmacher auch ermöglichen, auf verschiedene Arten von Unregelmäßigkeiten angemessener zu reagieren. Beispielsweise schlagen bei Vorhofflimmern die oberen und unteren Kammern des Herzens asynchron, und die Aufgabe eines Schrittmachers besteht darin, die beiden Teile wieder in Einklang zu bringen.
„Während wir derzeit das ganze Herz schocken müssen, können diese neuen Geräte viel präziser zielen, wodurch die Defibrillation sowohl effektiver als auch weniger schmerzhaft wird“, sagte Igor Efimov, Professor für Biomedizintechnik und Medizin an der Northwestern University. wo die Geräte im Labor getestet wurden. „Diese Technologie könnte Patienten auf der ganzen Welt das Leben erleichtern und gleichzeitig Wissenschaftlern und Ärzten dabei helfen, mehr über die Überwachung und Behandlung der Krankheit zu erfahren.“
Flexibles Netz umschließt das Herz
Um sicherzustellen, dass die Lichtsignale viele verschiedene Teile des Herzens erreichen können, entwickelte das Team ein Design, das das Organ umfasst, anstatt Leitungen zu implantieren, die begrenzte Kontaktpunkte bieten.
Das neue Schrittmachermodell besteht aus vier blütenblattartigen Strukturen aus dünner, flexibler Folie, die Lichtquellen und eine Aufzeichnungselektrode enthalten. Die Blütenblätter, die speziell entworfen wurden, um der Art und Weise Rechnung zu tragen, wie das Herz seine Form ändert, während es schlägt, falten sich um die Seiten des Organs, um es zu umhüllen, wie eine Blume, die sich nachts schließt.
„Aktuelle Herzschrittmacher zeichnen im Grunde eine einfache Schwelle auf, und sie werden Ihnen sagen: ‚Das geht in Arrhythmie, jetzt Schock!'“, sagte Gutruf. „Aber dieses Gerät hat einen Computer an Bord, in den Sie verschiedene Algorithmen eingeben können, mit denen Sie auf anspruchsvollere Weise Tempo machen können. Es ist für die Forschung gemacht.“
Da das System Licht anstelle von elektrischen Signalen verwendet, um das Herz zu beeinflussen, kann das Gerät weiterhin Informationen aufzeichnen, selbst wenn der Schrittmacher defibrillieren muss. Bei aktuellen Herzschrittmachern kann das elektrische Signal von der Defibrillation die Aufzeichnungsfähigkeiten stören, wodurch Ärzte ein unvollständiges Bild von Herzepisoden erhalten. Zudem kommt das Gerät ohne Batterie aus, was Herzschrittmacherpatienten den derzeit üblichen Austausch der Batterie in ihrem Gerät alle fünf bis sieben Jahre ersparen könnte.
Das Team von Gutruf arbeitete bei dem Projekt mit Forschern der Northwestern University zusammen. Während die aktuelle Version des Geräts erfolgreich in Tiermodellen demonstriert wurde, freuen sich die Forscher auf die Fortsetzung ihrer Arbeit, die die Lebensqualität von Millionen von Menschen verbessern könnte.
Quelle:
Referenz:
Ausra, J., et al. (2022) Drahtlose, vollständig implantierbare Herzstimulation und Aufzeichnung mit On-Device-Berechnung für Closed-Loop-Stimulation und Defibrillation. Wissenschaftliche Fortschritte. doi.org/10.1126/sciadv.abq7469.
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