Ingenieros de la Universidad de Arizona [1] han desarrollado un nuevo tipo de marcapasos que envuelve el corazón como los pétalos de una flor, no causa dolor al corregir irregularidades y no necesita batería. La estimulación se realiza con ayuda de luz en lugar de descargas eléctricas, por lo que es posible dirigirse a zonas específicas.
Fig. 2: Módulo de marcapasos convencional (izquierda) comparado en tamaño con una cápsula de marcapasos inalámbrico en 2015 (Imagen: Hospital Universitario de Ulm)En la Universidad de Arizona, unos ingenieros han desarrollado un nuevo tipo de marcapasos. Envuelve el corazón como los pétalos de una flor, no causa dolor cuando adopta medidas correctoras por irregularidades y no necesita batería. La estimulación se realiza mediante luz en lugar de descargas eléctricas, con la posibilidad de dirigirla a zonas específicas.
Tras muchos años de perfeccionamiento técnico, los marcapasos son ahora sistemas seguros y de buen funcionamiento que prácticamente han eliminado la necesidad del tratamiento crónico con fármacos de las arritmias cardiacas lentas. El dispositivo miniaturizado consta de un generador de impulsos a pilas (módulo base, unidad) y un electrodo de uno o dos hilos (sonda) que conecta el generador de impulsos al ventrículo. El electrodo transmite impulsos eléctricos al corazón y señales del corazón al generador de impulsos. Esto controla el funcionamiento del marcapasos. El módulo base contiene una batería de litio-yodo o de monofluoruro de litio-carbono para la alimentación y la electrónica para controlar las funciones en una carcasa común.
En los marcapasos convencionales, el módulo base con la unidad informática se cose quirúrgicamente en el bolsillo de la pared torácica y un cable envía los impulsos eléctricos necesarios a una sonda situada en la pared del corazón(Fig. 1). La estimulación puede ser bastante dolorosa. Hasta la fecha, los marcapasos sólo pueden utilizarse para tratar algunos tipos concretos de enfermedades.
Con los marcapasos inalámbricos más recientes, mucho más pequeños, el módulo se inserta en el ventrículo a través de la ingle en un procedimiento mínimamente invasivo y se ancla en la pared cardiaca con diminutos brazos de titanio. No es necesaria una cirugía mayor ni el tendido de cables de marcapasos. La figura 2 muestra que los dispositivos inalámbricos son significativamente más pequeños que los dispositivos clásicos basados en sondas. Sin embargo, este método es especialmente adecuado para pacientes en los que sólo es necesario estimular un ventrículo. El mecanismo de acción de estos marcapasos sigue siendo limitado y es necesario un suministro permanente de energía a través de una batería incorporada.
La fibrilación auricular, una enfermedad muy extendida
Fig. 3: Representación simbólica del uso del nuevo marcapasos en la Universidad de Arizona Al igual que en la fabricación de dispositivos electrónicos tradicionales, la electrónica médica también está sujeta a un constante perfeccionamiento tanto en lo que respecta a su funcionalidad como a su diseño. La gran importancia del perfeccionamiento de los marcapasos en particular queda ilustrada por el hecho de que, según [2], cada año se registran en Estados Unidos más de 454.000 ingresos hospitalarios y casi 160.000 fallecimientos debidos a anomalías cardíacas como la fibrilación auricular. Se calcula que en todo el mundo hay unos 60 millones de personas afectadas. La fibrilación auricular es una forma de latido cardíaco irregular o arritmia. Por ello, los trabajos sobre el desarrollo de marcapasos están en primera línea de la investigación internacional.
Un ejemplo interesante de investigación en este campo es el nuevo tipo de marcapasos desarrollado por ingenieros y científicos de la Universidad de Arizona (EE.UU.) [1]. Este marcapasos envuelve parcialmente el corazón y permite dirigirlo con precisión a zonas específicas para evitar los receptores del dolor y reducir las molestias del paciente. La figura 3 simboliza cómo el nuevo marcapasos puede envolver el corazón con láminas. No lleva cables ni pilas y podría implantarse mediante un procedimiento menos invasivo que el actual, lo que también causaría menos dolor a los pacientes desde este punto de vista.
Una nueva solución revolucionaria
En un artículo publicado en Science Advances el 26 de octubre de 2022, un equipo de investigadores del laboratorio de Gutruf describe los resultados obtenidos bajo la dirección de Philipp Gutruf, catedrático adjunto de Ingeniería Biomédica y Craig M. Berge Faculty Fellow [3]. La publicación ofrece información sobre los estudios con animales y el diseño de la solución de marcapasos investigada(Fig. 4). En ella se afirma: "Los marcapasos disponibles actualmente funcionan implantando uno o dos cables o puntos de contacto con ganchos o tornillos en el corazón. Cuando los sensores de estos electrodos detectan una irregularidad peligrosa, envían una descarga eléctrica a través del corazón para restablecer el latido. "Todas las células del corazón reciben el mismo impacto, incluidos los receptores del dolor, lo que hace que el marcapasos o la desfibrilación sean dolorosos", explica el profesor Gutruf(Fig. 5). "Afecta al músculo cardiaco en su conjunto".
Fig. 4: Información sobre los experimentos con animales y el diseño del innovador marcapasos
Fig. 5: Philipp Gutruf, profesor adjunto de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Arizona El dispositivo desarrollado por el equipo de Gutruf, que aún no se ha probado en seres humanos, permitiría a los marcapasos enviar señales mucho más selectivas mediante un nuevo diseño de malla fabricada digitalmente que abarca todo el corazón. El dispositivo utiliza luz y una técnica llamada optogenética.
La optogenética modifica las células sensibles a la luz, normalmente neuronas, y luego utiliza la luz para influir en su comportamiento. Esta técnica sólo se dirige a los cardiomiocitos, las células del músculo que desencadenan la contracción y hacen latir el corazón. Según los investigadores, esta precisión no sólo reducirá el dolor experimentado por los pacientes con marcapasos al eludir los receptores del dolor del corazón, sino que también permitirá al marcapasos responder más adecuadamente a los distintos tipos de irregularidades. Por ejemplo, en la fibrilación auricular, las cavidades superior e inferior del corazón laten de forma asincrónica, y la función del marcapasos es volver a sincronizar ambas partes.
"En la actualidad tenemos que aplicar una descarga a todo el corazón, pero estos nuevos dispositivos pueden actuar con mucha más precisión, lo que hace que la desfibrilación sea más eficaz y menos dolorosa", añade Igor Efimov, catedrático de Ingeniería Biomédica y Medicina de la Universidad Northwestern, donde se han probado los dispositivos en el laboratorio. "Esta tecnología podría facilitar la vida a pacientes de todo el mundo, al tiempo que ayudaría a científicos y médicos a aprender más sobre el control y el tratamiento de la enfermedad".
Una red flexible rodea el corazón
Para garantizar que las señales luminosas puedan llegar a muchas partes diferentes del corazón, el equipo desarrolló un diseño en forma de malla que rodea el órgano en lugar de implantar cables que proporcionan puntos de contacto limitados(Fig. 6).
El nuevo modelo de marcapasos consta de cuatro estructuras en forma de pétalo hechas de una película fina y flexible que contienen fuentes de luz y un electrodo de registro. La luz azul procede de micro-LED que se alimentan de un generador termoeléctrico que utiliza el calor corporal para generar electricidad.
Los pétalos, especialmente diseñados para tener en cuenta el cambio de forma del corazón al latir, se pliegan a los lados del órgano para envolverlo, como una flor que se cierra por la noche(Fig. 3).
Fig. 6: Las cuatro estructuras de malla en forma de flor del marcapasos"Los marcapasos actuales registran básicamente un umbral simple, y te dicen: 'Esto está entrando en arritmia, ahora descarga'", dijo Gutruf. "Pero este dispositivo tiene un ordenador a bordo en el que se pueden introducir distintos algoritmos que permiten marcar el ritmo de una forma más sofisticada. Está hecho para la investigación".
Como el sistema utiliza luz en lugar de señales eléctricas para influir en el corazón, el dispositivo puede seguir registrando información aunque el marcapasos tenga que desfibrilar. Con los marcapasos actuales, la señal eléctrica de la desfibrilación puede interferir con la capacidad de registro, dando a los médicos una imagen incompleta de los episodios cardíacos. Además, el dispositivo no necesita batería, lo que podría evitar a los pacientes con marcapasos tener que sustituir la batería de su dispositivo cada cinco o siete años, que es la práctica habitual en la actualidad.
Universidad puntera
La Universidad de Arizona es una de las 100 universidades del mundo con más patentes estadounidenses concedidas por invenciones en 2021. Además de la tecnología médica, está muy implicada en la tecnología para la investigación espacial. En 2020, la universidad ocupó el puesto 28 según el resumen Worldwide Universities Granted U.S. Utility Patents, elaborado por la Academia Nacional de Inventores y la Asociación de Propietarios de Propiedad Intelectual. Del 1 de enero al 31 de diciembre de 2021, se concedieron 86 patentes a la universidad, cinco más que en 2020, lo que indica un esfuerzo investigador muy centrado y fructífero.
La Universidad de California y el Instituto de Tecnología de Massachusetts ocuparon el primer y segundo lugar entre las 100 mejores en 2021. La Universidad Rey Abdulaziz de Arabia Saudí ocupó el cuarto lugar. La Universidad Tsinghua de China alcanzó el noveno puesto, mientras que la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y la Fundación Universitaria de Investigación y Negocios de Corea (del Sur) se situaron en el puesto 29. Además de las instituciones académicas estadounidenses, que naturalmente dominan con mucho el Top 100, también estuvieron representadas un gran número de universidades de China y Japón. Lamentablemente, las universidades alemanas estuvieron completamente ausentes de la lista de 2021 [3].
El equipo de Gutruf colaboró en el proyecto con investigadores de la Universidad Northwestern. Aunque la versión actual del dispositivo se ha demostrado con éxito en modelos animales, los investigadores están deseando continuar su trabajo, que podría mejorar la calidad de vida de millones de personas.
Referencias
[1] La Universidad de Arizona se encuentra entre las 100 universidades del mundo con más patentes estadounidenses concedidas por invenciones en 2021. Además de tecnología médica, está muy involucrada en tecnología para la investigación espacial
[2] https://news.arizona.edu/story/battery-free-light-powered-pacemaker-may-improve-quality-life-heart-disease-patients
[3] www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7469
