Znajdź zawartość

Rozruszniki serca od dziesięcioleci ratują ludziom życie. Są to jednak spore urządzenia, a ich wszczepienie jest skomplikowane i niesie ze sobą ryzyko. Rozwiązaniem przyszłości może być urządzenie opracowane i przetestowane na Yonsei University w Seulu. Powstało tam ultracienkie urządzenie, które monitoruje pracę serca i w razie potrzeby dostarcza sygnał elektryczny. Wyposażono je w specjalną powłokę, która powoduje, że przylepia się ono do wilgotnego organu, jak serce. Koreańscy uczeni przetestowali je ja żywym króliku oraz na sztucznym sercu. Wyniki badań dają podstawy do optymizmu. Ich zdaniem, pewnego dnia urządzenie będzie mogło zastąpić tradycyjne rozruszniki. Naukowcy z Yonsei skupili się na rozwiązaniu problemu arytmii. To sytuacja, w której serce bije zbyt szybko, zbyt wolno lub nieregularnie. Czasem arytmia jest niezauważalna lub nie stanowi większego problemu, czasem jednak może zagrażać życiu. W tych ostatnich przypadkach wszczepienie rozrusznika może być jedynym sposobem na ocalenie życia pacjenta. Koreańczycy opracowali przylepiany do serca rozrusznik, który ma grubość zaledwie 38 mikrometrów. To mniej niż grubość normalnego ludzkiego włosa. Jest więc o wiele rzędów wielkości mniejszy od najlepszych stosowanych obecnie rozruszników. Nowe urządzenie składa się z macierzy czujników ciśnienie, które monitorują pracę serca oraz elektrod, które mają dostarczać impuls elektryczny. Podczas testów na królikach rozrusznik wykrywał arytmie i prawidłowo regulował prace serca. Olbrzymią zaletą urządzenia są nie tylko jego niewielkie rozmiary, ale również sposób mocowania. Obecnie typowy zabieg wszczepienia rozrusznika polega na wprowadzeniu elektrody przez żyłę do komory serca. Nowy rozrusznik przypomina plaster przyklejony do nasierdzia. Aby rozwiązać problem przyklejania do wilgotnych powierzchni, naukowcy zwrócili się o pomoc do natury. Znaleźli bazujący na glonach hydrożel, który naśladuje właściwości małży, które przyklejają się pod wodą do różnych powierzchni. Hydrożel nie tylko przykleja się do nasierdzia, ale nie jest wchłaniany przez organizm, jest biokompatybilny i nietoksyczny. Twórcy nowatorskiego rozrusznika zastrzegają, że to dopiero początek, gdyż przetestowali go jedynie nie królikach. Minie jeszcze sporo czasu, zanim będą mogli sprawdzić jego działanie na ludziach. Już teraz jednak mówią, że ich urządzenie pomoże nie tylko ludziom z arytmiami. Mają zamiar rozwijać je tak, by można je było wykorzystać w badaniu i monitorowaniu zawału, kardiomiopatii przerostowej, przerostu dośrodkowego serca czy kardiomiopatii rozstrzeniowej. Więcej na temat rozrusznika można przeczytać na łamach Science Advances. « powrót do artykułu

Inżynierowe z MIT-u postanowili zabezpieczyć osoby z rozrusznikami serca i tym podobnymi urządzeniami przed potencjalnie śmiertelnym cyberatakiem. Na całym świecie miliony osób korzystają z wszczepionych defibrylatorów, rozruszników, pomp podających leki. Co roku 300 000 takich urządzeń trafia do ciał pacjentów. Wiele z nich posiada moduł łączności bezprzewodowej, dzięki czemu lekarze mogą zdalnie nadzorować stan pacjenta. Niestety, badania dowiodły, że możliwe jest przeprowadzenie ataku na takie urządzenie. W najgorszym przypadku napastnik może poinstruować je, by podało zbyt dużo leku lub zbyt duże napięcie, doprowadzając do śmierci właściciela. Badacze z MIT-u oraz University of Massachusetts-Amherst (UMass) pracują nad systemem, który zapobiega atakom. Ma on korzystać z drugiego nadajnika, który zagłusza nieautoryzowane sygnały nadawane na częstotliwości implantu. Tylko uwierzytelnieni użytkownicy mogą się połączyć z wszczepionym urządzeniem. Nadajnik będzie szyfrował transmisję i wymagał uwierzytelnienia. Dzięki temu, iż jest to osobne urządzenie, możliwe będzie wykorzystanie go przy już wszczepionych urządzeniach. Inżynierowe przewidują, że nadajnik, zwany przez nich tarczą, będzie na tyle mały, iż pacjent będzie go nosił jak naszyjnik lub zegarek. Urządzenie autoryzowane do łączności będzie przesyłało informacje do tarczy, ta je odszyfruje i prześle do urządzenia w ciele pacjenta. Obecnie stosowane implanty nie były projektowane z myślą o zapobieganiu atakom, zatem transmisja nie jest szyfrowane. Dina Katabi z MIT-u uważa, że i w przyszłości bardziej praktyczne będzie poleganie na zewnętrznym urządzeniu szyfrującym. Trudno jest wbudować mechanizmy szyfrujące w implanty. Są one bowiem naprawdę małe, więc ze względu na zużycie energii i ich architekturę, nie ma sensu wbudowywać weń mechanizmów szyfrujących - mówi Katabi. Co więcej, jak zauważa, mogłoby to być niebezpieczne. W sytuacji zagrożenia życia, gdy pacjent np. jest nieprzytomny, załoga karetki pogotowia mogłaby nie być w stanie połączyć się z implantem i sprawdzić jego danych lub wysłać doń instrukcji. Jeśli zaś wykorzystamy zewnętrzne urządzenie, jak wspomniana tarcza, to wystarczy, by ratownicy odsunęli je od pacjenta. Katabi pracuje nad tarczą wraz ze swoimi dwoma studentami oraz Kevinem Fu, profesorem z UMass i jego studentem Benem Ransfordem. Wykorzystują oni używane defibrylatory otrzymane od szpitali z Bostonu. Katabi wyjaśnia, że kluczowym elementem systemu jest nowa technika, która pozwala tarczy na jednoczesne wysyłanie i odbieranie sygnałów w tym samym paśmie częstotliwości. Standardowe urządzenia bezprzewodowe tego nie potrafią. Ostatnio uczeni z Uniwersytetu Stanforda zaprezentowali tego typu system, jednak wymaga on użycia trzech anten, których odległość od siebie zależy od częstotliwości sygnału. Dla urządzeń medycznych anteny musiałyby znajdować się w odległości 0,5 metra jedna od drugiej. Zespół z Massachusetts opracował system korzystający z dwóch anten, a dzięki odpowiedniemu przetwarzaniu sygnałów nie jest konieczne, by były one od siebie oddalone.

Amerykańscy uczeni dowiedli, że serce można stymulować nie tylko impulsami elektrycznymi, ale również światłem. Odkrycie może doprowadzić do pojawienia się laserowych rozruszników serca, nowej klasy urządzeń medycznych oraz pozwoli na przeprowadzenie niedostępnych dotychczas badań. Naukowcy z Case Western Reserve University oraz Vanderbilt University wykorzystali laser działający w podczerwieni, do regulowania rytmu serca kilkudniowego embrionu przepiórki. Mogli dzięki niemu przyspieszać i zwalniać puls, regulując w ten sposób siłę, z jaką krew uderza o mięsień. Metoda ta przyda się do sprawdzenia, w jaki sposób różny rytm serca może wpłynąć na pojawienie się w przyszłości chorób serca. Już wcześniejsze badania wykazały, że mięsień sercowy jest wrażliwy na różne tempo przepływu krwi, co znajduje swoje odbicie odpowiedzi genetycznej i molekularnej. Wykorzystanie lasera otwiera przed badaczami możliwości, których nie dają tradycyjne rozruszniki. "Gdy przykładam do tkanki napięcie elektryczne, prąd rozchodzi się wszędzie i stymulowany jest znacznie większy region. Tutaj możemy skoncentrować promień i, teoretycznie, stymulować nawet pojedynczą komórkę" - mówi Michael Jenkins z Case Western. Użycie lasera ma i tę zaletę, że nie niszczy komórek. Wykorzystanie prądu często prowadzi co zniszczenia części z nich, co wprowadza do eksperymentów niepożądane zmienne. Być może w przyszłości powstaną laserowe rozruszniki serca. Jednak zanim to się stanie, naukowcy muszą zbadać, co powoduje, że światło wpływa na działanie serca. Jedna z teorii mówi, że fotony są absorbowane przez molekuły wody, co prowadzi do lokalnego wzrostu temperatury. To z kolei wpływa na transport sodu przez błony komórkowe i wolniejsze lub szybsze skurcze. Teoria ta jest tym bardziej prawdopodobna, że niedawno uczeni z Vanderbilt University wykazali, iż za pomocą lasera można wywołać impulsy elektryczne w obwodowym układzie nerwowym. Światło wykorzystuje się do stymulacji komórek od niedługiego czasu. Jednak obecnie wykorzystywane techniki zakładają wprowadzenie do komórek genów z bakterii wrażliwych na działanie światła. Użycie lasera, a zatem stymulacja za pomocą molekuł wody a nie bakteryjnego DNA, jest znacznie prostszą techniką. Jednak, jak zauważa Loren Frank, profesor fizjologii z University of California z San Francisco, laser ma swoje ograniczenia. Może być użyty tylko tam, gdzie komórki odpowiadają na zmiany temperatury oraz gdzie dominuje jeden typ komórek. Laser, zdaniem Franka, nie sprawdzi się zatem przy stymulowaniu komórek mózgu. Jednak świetnie powinien spisać się w stymulacji serca. Chociażby dlatego, że krzemowe i szklane elementy laserów są znacznie bardziej obojętne dla komórek niż elementy metalowe, wykorzystywane w tradycyjnych rozrusznikach. Ponadto pacjenci z laserowymi rozrusznikami mogliby bezpiecznie korzystać z rezonansu magnetycznego. Ponadto, jak zauważył profesor E. Duco Jensen, problem z pobudzaniem komórek mózgu można częściowo obejść, badając odpowiedzi nerwów znajdujących się poza mózgiem.

Na Princeton University powstał silikonowy generator prądu, który zbiera energię z naturalnych ruchów ciała, takich jak oddychanie czy spacer. Generator może zapewnić zasilanie rozrusznikom serca, telefonom komórkowym i innym urządzeniom przenośnym. Nowy materiał stworzono z ceramicznych nanowstążek zatopionych w elastycznym silikonie. Urządzenie bardzo wydajnie zmienia energię mechaniczną w elektryczną. W przyszłości buty wykonane z nowego materiału mogą zbierać wystarczająco dużo energii, by zasilać urządzenia przenośne. Z kolei jeśli przymocujemy tego typu materiał w okolicach płuc, ich naturalne ruchy dostarczą energii rozrusznikowi serca, więc zniknie konieczność wymiany baterii w tego typu urządzeniach. Naukowcy z Princeton, Michael McAlpine i Yi Qi, są pierwszymi którym udało się połączyć silikon z nanowstążkami cyrkonianu-tytanianu ołowiu (PZT), piezoelektrycznego materiału ceramicznego. To najbardziej wydajny spośród znanych nam piezoelektryków, gdyż potrafi zamienić w energię elektryczną aż 80% energii mechanicznej. Jak mówi McAlpine PZT jest 100 razy bardziej wydajny od kwarcu, innego materiału piezoelektrycznego. I dodaje oddychanie czy spacerowanie nie generują zbyt dużo energii, a więc trzeba ją pozyskiwać tak efektywnie, jak to tylko możliwe. Dodatkową zaletą materiału autorstwa McApline'a i Qi jest fakt, iż zgina się on pod wpływem prądu elektrycznego, dzięki czemu w przyszłości może być wykorzystywany w mikronarzędziach chirurgicznych. Piękno tkwi w tym, że jest to rozwiązanie skalowalne - stwierdził Yi Qi. W miarę jak będziemy udoskonalali ten materiał, będziemy w stanie produkować coraz większe jego fragmenty, które pozwolą zebrać więcej energii.

Kalifornijska firma Cameron Health chce, jako pierwsza na świecie, wprowadzić na rynek wszczepiany podskórnie defibrylator połączony z rozrusznikiem serca. Właśnie zakończyły się wstępne testy kliniczne urządzenia. W badaniu wzięło udział 55 pacjentów. Test polegał na dwukrotnym celowym wywołaniu migotania komór, czyli serii chaotycznych, bardzo szybko powtarzających się skurczów komory serca (stan taki najczęściej poprzedza bezpośrednio zatrzymanie akcji serca) oraz próbie ich wyciszenia (defibrylacji) i przywrócenia prawidłowego rytmu serca. Łącznie u chorych udało się wywołać 137 przypadków migotania komór. Wszystkie zostały skutecznie wykryte, a w 98% przypadków udało się także przywrócić rytm serca. Dodatkowym, choć nieplanowanym testem rozrusznika było spontaniczne pojawienie się migotania komór u jednego z chorych. Także w tym wypadku aparat wykonał swoje zadanie prawidłowo. W czasie testów zdarzyło się kilka drobnych niepowodzeń. Były one związane głównie z oprogramowaniem defibrylatora lub niepowodzeniami podczas zabiegu jego wszczepiania, lecz, jak zapewniają przedstawiciele Cameron Health, problemy te zostały już rozwiązane. Najważniejszą zaletą nowego typu rozrusznika jest łatwość jego założenia. Podczas operacji w ogóle nie występuje konieczność otwierania klatki piersiowej ani wprowadzania do jej wnętrza elektrod, co znacznie zwiększa bezpieczeństwo zabiegu. Oczywiście, zachowana została przy tym pełna skuteczność urządzenia. Osiągnięto to dzięki nieznacznemu zwiększeniu energii impulsu wysyłanego do serca. Świetne wyniki testów klinicznych pozwalają przypuszczać, że urządzenie trafi na rynek w ciągu najbliższych kilku lat. Czy, i jeśli tak, to kiedy, trafi ono do Europy, niestety nie sprecyzowano.

Doktor William Maisel z Instytutu Bezpieczeństwa Urządzeń Medycznych w Beth Israel Medical Center ostrzega, że słuchawki odtwarzaczy MP3 mogą zakłócić pracę rozruszników serca i wszczepianych defibrylatorów. Same odtwarzacze są niegroźne, jednak silne magnesy znajdujące się w słuchawkach mogą narazić na niebezpieczeństwo osobę z wszczepionym rozrusznikiem. Podczas testów 60 pacjentom kładziono na klatce piersiowej, bezpośrednio nad wszczepionym urządzeniem, słuchawki z odtwarzaczy MP3. W aż 14 przypadkach doszło do zaburzeń pracy urządzenia. Dwukrotnie większe niebezpieczeństwo czyha na osoby z defibrylatorem niż z rozrusznikiem. Uczeni wyjaśniają, że rozrusznik wysyła sygnały, które nakazują sercu przyspieszenie lub zwolnienie rytmu serca. Magnes może spowodować, że do serca będą napływały błędne sygnały, powodując palpitacje lub arytmię. Z kolei defibrylator reaguje na pracę serca i je przyspiesza lub spowalnia w zależności od potrzeb. Słuchawki mogą doprowadzić do wyłączenia defibrylatora, wskutek czego będzie on ignorował informacje z mięśnia sercowego i nie ureguluje jego pracy. Zwykle po zdjęciu słuchawek z klatki piersiowej urządzenie wracały do normalnego trybu pracy. Główne przesłanie dla pacjentów z wszczepionymi urządzeniami brzmi: możecie normalnie korzystać z odtwarzaczy MP3. Nie powinniście jednak umieszczać słuchawek w pobliżu urządzenia - powiedział doktor Maisel. Należy dbać o to, by minimalna odległość pomiędzy słuchawkami a wszczepionym urządzeniem nie była mniejsza niż 3 centymetry.

Pierwszy na świecie optyczny rozrusznik serca został przetestowany i opisany na łamach czasopisma Optics Express. Grupa naukowców z Uniwersytetu w japońskiej Osace wykazali, że błyski światła o odpowiednich parametrach mogą pobudzić komórki mięśniowe serca (kardiomiocyty) do skurczów. Jeżeli podasz tego typu komórkom wystarczająco silny impuls światła laserowego w bardzo krótkim czasie, uzyskusz gigantyczną odpowiedź, tłumaczy Nicholas Smith, szef zespołu pracującego nad wynalazkiem. Światło lasera wpływa na komórki poprzez aktywację tzw. kanałów jonowych, czyli białek zdolnych do kontrolowanego uwalniania jonów (w tym przypadku chodzi o naładowane dodatnio jony wapnia). Powoduje to zmiany ładunku elektrycznego w poszczególnych częściach komórki, przez co dochodzi do skurczu. Naukowcom udało się uzyskać, w zależności od potrzeb, dwa dokładnie przeciwne mechanizmy. W pierwszym eksperymencie dowiedli, że rytmiczne pobudzanie kardiomiocytów do skurczu może wymusić na nich "przyjęcie" narzuconego rytmu skurczów, co przypomina do złudzenia pracę tradycyjnego rozrusznika serca. Drugie doświadczenie polegało na wywołaniu odwrotnego efektu: dzięki pobudzaniu pojedynczej komórki do kurczenia się z częstotliwością niezgodną z pozostałymi, udało się wywołać stan podobny do fibrylacji, czyli braku koordynacji pomiędzy poszczególnymi kardiomiocytami. Wywołanie w hodowli komórkowej takiego stanu może być bardzo pomocne przy eksperymentach nad lekami, których zadaniem jest przywracanie prawidłowego rytmu serca. Badania nad urządzeniem przeprowadzono dotychczas wyłącznie na tzw. liniach komórkowych, czyli komórkach hodowanych w laboratorium, poza żywym organizmem. Niestety, obecnie stosowana wersja lasera powoduje poważne uszkodzenie komórek przy wielokrotnej ekspozycji na światło, toteż ewentualne zastosowanie tego typu rozrusznika jako implantu jest mało prawdopodobne. Wszystko wskazuje więc na to, że przez kilka najbliższych lat pozycja stosowanych obecnie rozruszników, działających w oparciu o wysyłanie do serca impulsów elektrycznych, jest niezagrożona.