Ультразвуковий кардіостимулятор неінвазивно стабілізує роботу серця

Інженери з Массачусетського технологічного інституту (MIT) розробили неінвазивний кардіостимулятор, який стимулює роботу серця за допомогою ультразвуку. Ця розробка може в майбутньому стати альтернативою традиційним кардіоімплантатам, оскільки не потребує хірургічного втручання.

Новий пристрій має вигляд невеликої наклейки, яку можна розмістити на грудній клітці. Крихітні датчики на наклейці надсилають ультразвукові імпульси через грудну клітку для стимуляції серця. Ультразвукові хвилі викликають відкриття певних іонних каналів у клітинах серця — цей ефект дослідники підсилили за допомогою генної інженерії. Коли канали відкриваються, вони пропускають кальцій, який сигналізує клітині серця скорочуватися.

Результати експериментів

Під час лабораторних експериментів дослідники застосували ультразвукові хвилі до модифікованих клітин серця людини і виявили, що імпульси ефективно підтримували здорові скорочення клітин. Вони також протестували ультразвукову наклейку на щурах і встановили, що пристрій швидко, безпечно та неінвазивно коригував аритмію й відновлював нормальні, регулярні скорочення серця.

Команда виготовила прототип, що включає ультразвукову наклейку розміром приблизно з поштову марку та невеликий кишеньковий пристрій, який містить необхідні батареї та електроніку. Раніше ця ж група дослідників продемонструвала конструкцію наклейки, яка використовує ультразвук для візуалізації глибоких органів і тканин. Зараз вони планують об'єднати ці два підходи в одну ультразвукову наклейку для одночасного моніторингу та регулювання діяльності серця.

Перегляньте записи:

Сучасні кардіостимулятори та їхні обмеження

Сьогодні близько трьох мільйонів дорослих у США живуть із кардіостимуляторами. Ці невеликі пристрої, що працюють на батареях, хірургічно імплантуються в грудну клітку людини та подають електричні імпульси для регулювання серцевого ритму. Імплантовані кардіостимулятори є добре відпрацьованим і загалом безпечним методом лікування, який, однак, має певні ризики.

Ультразвук охоплює діапазон акустичних хвиль, які безпечно проникають у тканини організму. Ультразвукові хвилі відбиваються та резонують від структур характерним чином, що дозволяє візуалізувати органи та тканини всередині тіла.

Ультразвук також можна спрямовувати та фокусувати для досягнення певних терапевтичних ефектів. Наприклад, нині вивчається його застосування при хворобі Паркінсона, хворобі Альцгеймера та інших захворюваннях нервової системи. Попередні дослідження на тваринах показали, що сфокусований ультразвук може безпечно активувати клітини серця, однак цей ефект був недостатньо вираженим і непостійним.

Соногенетика як новий підхід

Чжао та його колеги прагнули посилити вплив ультразвуку на серце. У новому дослідженні вони застосували соногенетику — відносно новий підхід, що наслідує оптогенетику. Якщо оптогенетика передбачає генетичну модифікацію клітин для реагування на світло, то соногенетика має на меті генетично модифікувати клітини для реагування на звук, зокрема ультразвук. У своїй роботі над розробкою ультразвукового кардіостимулятора команда спочатку прагнула підвищити чутливість серцевих клітин до ультразвуку.

У лабораторії вони використовували стандартні методи для отримання серцевих клітин з ембріональних стовбурових клітин, а потім внесли генетичну зміну, що підвищила їхню чутливість до ультразвуку. Зокрема, ця маніпуляція призвела до утворення іонних каналів, які легше відкривалися у відповідь на ультразвуковий вплив. Коли такі канали відкриваються, вони пропускають кальцій, який безпосередньо активує клітину та змушує її скорочуватися.

Ультразвукова наклейка

Під час експериментів із серцевими клітинами, модифікованими за допомогою соногенетики, вчені виявили, що під впливом ультразвуку клітини починають скорочуватися в такт хвилям, на відміну від клітин, які не зазнали генетичної модифікації.

У разі клінічного застосування ультразвукового кардіостимулятора команда передбачає, що пацієнт спочатку отримуватиме одноразову ін'єкцію, подібну до вакцини, яка генетично підвищуватиме чутливість серцевих клітин до ультразвукових хвиль. Така ін'єкція буде формою генної терапії — методу лікування, який уже схвалений FDA для деяких спадкових захворювань, зокрема серпоподібноклітинної анемії та спінальної м'язової атрофії. Потім команда розробила основу ультразвукового кардіостимулятора у вигляді наклейки розміром з поштову марку, в яку вбудовано мініатюрні ультразвукові перетворювачі.

Клейка частина пристрою виготовлена з гідрогелевого матеріалу, який протягом багатьох років удосконалювали для міцного прилягання до шкіри та різних типів матеріалів. Водночас цей матеріал забезпечує проходження ультразвукових хвиль без їх ослаблення. Датчики всередині наклейки можна налаштувати на генерацію ультразвукових хвиль певної частоти.

Дослідження на тваринах

Під час експериментів на щурах дослідники спочатку вводили через хвіст розчин, який підвищував чутливість клітин до ультразвукового впливу. Потім вони прикріплювали мініатюрну версію кардіостимулятора до грудної клітки тварин. Після активації наклейки ультразвук швидко регулював серцебиття.

У тварин із уповільненим серцевим ритмом частота серцевих скорочень поверталася до норми, а в особин із нерегулярним серцебиттям ритм стабілізувався та синхронізувався з ультразвуковими імпульсами.

Перспективи технології

Наразі дослідники працюють над тим, щоб зробити наклейки меншими, більш інтегрованими, стабільними та точними для тривалого використання. У цій роботі було продемонстровано можливість неінвазивної кардіостимуляції. Водночас автори вважають, що ця концепція може бути корисною не лише для серця.

У майбутньому подібні наклейки потенційно можуть забезпечувати довготривалу візуалізацію, моніторинг та терапевтичну стимуляцію різних органів у режимі замкнутого контуру. 

ДЖЕРЕЛО: medicalxpress

На платформі Accemedin багато цікавого! Аби не пропустити — підписуйтесь на наші сторінки! Facebook. Telegram. Viber. Instagram.