Ученые из Массачусетского технологического института создали ультразвуковой стимулятор сердца, который работает без проникновения внутрь тела. Это изобретение способно сократить использование традиционных имплантируемых устройств. Особенность новой разработки в том, что она выглядит как обычный пластырь, который крепится на грудь.
Ирина Медведева
Иллюстративное изображение. Источник: seekingalpha.com
Альтернатива обычным кардиостимуляторам
Исследователи предложили альтернативу стандартным кардиостимуляторам, не требующую операции. Это носимая наклейка, использующая ультразвук. Устройство посылает сфокусированные звуковые волны, которые задают правильный ритм сердечной мышце.
Технология объединяет внешний акустический пластырь с областью науки, называемой соногенетикой. В этой сфере клетки, измененные с помощью генной инженерии, начинают реагировать на звуковые сигналы.
Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения и гражданского строительства в МТИ, отметил, что в будущем такие наклейки на теле смогут не только долго показывать внутренние органы, но и стимулировать лечебные эффекты без инвазивных вмешательств.
Чем отличаются инновационный кардиостимулятор
Обычные кардиостимуляторы работают с помощью электрических импульсов. Они спасают миллионы жизней, но их установка требует хирургического вмешательства и прямого контакта с сердечной тканью.
Ученые знали, что ультразвук безопасно проходит через тело и влияет на ткани, но предыдущие попытки стимулировать сердце звуком давали слишком слабый и непостоянный эффект.
Чтобы решить эту проблему, команда применила соногенетику. Сначала была проведена специальная генная терапия, изменившая клетки сердца. В них создали ионные каналы, которые открываются под действием определенных звуковых частот.
Когда внешний ультразвуковой пластырь посылает сигнал, эти каналы открываются, и кальций поступает внутрь клетки. Этот приток кальция служит сигналом для сокращения и биения сердечной клетки.
Чэнь Гун, первый автор статьи, объяснил, что теперь каналы лучше «слышат» ультразвук и открываются, пропуская кальций, который напрямую активирует клетку и заставляет ее сокращаться.
Инженеры поместили эту акустическую технологию в устройство размером с почтовую марку. В нем установлены крошечные ультразвуковые преобразователи. Пластырь сделан из очищенного гидрогеля, который плотно прилегает к коже и обеспечивает четкое прохождение звуковых волн.
Лабораторные тесты показали быстрый результат. На искусственных клетках человеческого сердца они сразу подстроились под ритм ультразвука.
В опытах на крысах с опасными нарушениями ритма миниатюрная наклейка быстро нормализовала нерегулярное сердцебиение. Медленный и прерывистый ритм вернулся к здоровому и энергичному состоянию.
Двухэтапный подход
Команда предлагает простой порядок действий для реальных пациентов. Сначала делается одноразовая инъекция. Эта генная терапия, созданная по образцу уже одобренных FDA методов лечения таких болезней, как серповидноклеточная анемия, надолго настраивает клетки сердца на восприятие акустических сигналов.
После этого пациент просто крепит наклейку размером с марку, которая подключается к небольшому внешнему аккумулятору. Гонг заявил, что такой шаг можно внедрить в клиническую практику как форму генной терапии, позволяющую создать неинвазивные кардиостимуляторы.
Ранее та же группа из МТИ изобрела ультразвуковой пластырь для визуализации глубоких внутренних органов. Как сообщает interestingengineering.com, сейчас они объединяют оба проекта.
Конечная цель — создать единую интеллектуальную наклейку, которая одновременно отслеживает работу сердца в реальном времени и активирует звуковые импульсы при обнаружении аритмии.
Если технологию одобрят для использования на людях, она предложит новый взгляд на медицину как на беспроводное, носимое и действующее через кожу средство.
Преимущества нового метода
Важным преимуществом нового метода является его обратимость. В отличие от традиционных имплантов, которые остаются в теле навсегда, генную модификацию можно потенциально отключить с помощью второго вирусного вектора или — в будущем — с помощью специального «выключателя» на основе другого звукового сигнала.
Кроме того, сам пластырь можно снять в любой момент, и стимуляция прекратится. Это делает терапию гибкой: например, при временных нарушениях ритма после инфаркта пациент может носить наклейку несколько недель, а затем отказаться от нее, не оставляя инородных предметов в грудной клетке.
Результат опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering.
Однако путь к клиническому применению потребует преодоления нескольких серьезных барьеров. Во-первых, необходимо подтвердить долгосрочную безопасность генной терапии для сердечной ткани — измененные каналы не должны вызывать воспаления или неконтролируемого роста клеток.
Во-вторых, ультразвуковой сигнал должен быть достаточно мощным, чтобы проходить сквозь грудную стенку и ребра, но не нагревать и не повреждать окружающие ткани.
Команда МТИ уже разрабатывает алгоритмы, которые автоматически подстраивают частоту и амплитуду волн под конкретную анатомию пациента, сводя риск побочных эффектов к минимуму.
Перспективы технологии
Перспективы применения данной технологии выходят далеко за рамки лечения аритмии. Ученые подчеркивают, что соногенетический подход может быть адаптирован для стимуляции других внутренних органов — например, поджелудочной железы, печени или даже участков головного мозга.
Принцип останется тем же: генная модификация клеток для их чувствительности к ультразвуку и внешний пластырь, задающий нужный ритм или интенсивность работы. Это открывает путь к неинвазивному лечению диабета, депрессии, хронических болей и неврологических расстройств без ежедневного приема лекарств или сложных хирургических вмешательств.
Финансирование дальнейших исследований уже обеспечено грантами Национальных институтов здравоохранения США. Параллельно команда разрабатывает прототип полностью автономного пластыря, который будет питаться от миниатюрной гибкой батареи и передавать данные о сердечной активности на смартфон врача.
Ожидается, что первая фаза клинических испытаний на пациентах с фибрилляцией предсердий начнется не раньше 2029 года, однако при успешных результатах технология может радикально изменить стандарты помощи при аритмиях — от сложной операции до простого «наклеил и забыл».
В этом контексте заявление профессора Чжао о том, что медицина будущего станет невидимой и даже рутинной, перестает казаться утопией.
Вот еще примеры инновационной «невидимой» медицины: разработанный специалистами Чикагского университета автономный эластичный пластырь, имитирующий свойства кожи, способен с 99,6-процентной точностью диагностировать и корректировать фатальные нарушения сердечного ритма. А робот-медуза, умеющий дрейфовать внутри организма, доставит лекарство в нужную зону и покажет состояние внутренних органов.