Il ritmo costante del battito cardiaco può facilmente eseere interrotto da extrasistole provocate dallo stress quotidiano o da malattie cardiache.
Coloro che sviluppano un’aritmia cronica, la situazione è molto più tesa: il loro battito cardiaco è monitorato e controllato da dispositivi salvavita chiamati pacemaker, che erogano scariche elettriche controllate al cuore per fermare la fibrillazione e ripristinare il ritmo.
Studiare l’ampia varietà di modi in cui un cuore può inciampare e balbettare spesso richiede l’impiego di piccoli animali come modelli. Ma nonostante la loro convenienza ed i benefici etici, le loro dimensioni possono rendere difficile il monitoraggio e la risposta ai cambiamenti.
Ora, un team di scienziati guidato dall’ingegnere biomedico Philipp Gutruf dell’Università dell’Arizona ha sviluppato un dispositivo impiantabile che rende molto più semplice lo studio della cardiologia dei piccoli animali. Come bonus, un giorno potrebbe essere la base di un modo completamente nuovo di trattare le condizioni cardiache negli esseri umani.
Il dispositivo è stato progettato per essere sufficientemente flessibile per adattarsi ai soggetti più piccoli, fornendo una migliore risoluzione per il monitoraggio dell’elettrofisiologia del cuore. Usando la luce invece dei segnali elettrici, somministra scosse delicate quando vengono rilevati ritmi anormali.
A differenza dei segnali elettrici degli attuali pacemaker, che possono interferire con le capacità di registrazione e lasciare ai medici un’immagine irregolare degli episodi cardiaci, l’utilizzo della luce per stimolare il cuore permette al sistema di ottenere registrazioni continue dei modelli del battito cardiaco, anche quando è necessario defibrillare.
“I pacemaker attuali registrano fondamentalmente una soglia semplice e ti diranno: ‘Questo sta andando in aritmia, ora shock!’“, spiega Gutruf. “Ma questo dispositivo ha un computer in cui puoi inserire diversi algoritmi che consentono di monitorare il ritmo in modo più sofisticato. È fatto per la ricerca“.
Finora il dispositivo è stato testato solo sui topi, ma i ricercatori lo hanno progettato per fornire una stimolazione del cuore più precisa e forse meno dolorosa.
Funziona utilizzando una tecnica chiamata optogenetica, per cui le cellule eccitabili come quelle del cuore o del cervello possono essere attivate su richiesta utilizzando la luce. In questo caso, i cardiomiociti di topo (cellule del muscolo cardiaco) sono stati geneticamente modificati per esprimere una proteina legata alla membrana sensibile alla luce blu. Accendi la luce e le cellule entrano in azione.
La bellezza del dispositivo sta nelle sue morbide matrici a film sottile, che si aprono a ventaglio come petali di fiori e avvolgono il cuore. Questo adattamento aderente è piuttosto diverso dal modo in cui gli attuali pacemaker si collegano al cuore attraverso uno o due elettrocateteri impiantati nell’organo.
Le persone che hanno inserito un pacemaker possono provare disagio e dolore crampiforme intorno al sito di impianto. In alcuni rari casi, possono anche sviluppare una complessa sindrome dolorosa regionale al torace.
Stimolare il cuore attraverso uno o due punti di contatto rende anche la defibrillazione del cuore meno precisa dell’ideale. “Tutte le cellule all’interno del cuore vengono colpite contemporaneamente, compresi i recettori del dolore, e questo è ciò che rende dolorosa la stimolazione o la defibrillazione“, spiega Gutruf. “Colpisce il muscolo cardiaco nel suo insieme“.
Invece, con questo nuovo dispositivo che attiva solo le cellule del muscolo cardiaco che attivano la contrazione, bypassando i recettori del dolore, i ricercatori sperano che possa offrire un modo più comodo e preciso per sincronizzare i battiti cardiaci irregolari.
“Mentre in questo momento, dobbiamo scioccare il cuore per farlo, questi nuovi dispositivi possono fare un targeting molto più preciso, rendendo la defibrillazione sia più efficace che meno dolorosa“, afferma Igor Efimov, ingegnere biomedico presso la Northwestern University.
Come descritto dal team nell’articolo, il dispositivo prototipo è stato impiantato appena fuori dalla cassa toracica di un topo utilizzando un applicatore personalizzato e una singola sutura, condividendo i dati della frequenza cardiaca tramite un collegamento a infrarossi.
I ricercatori hanno prima analizzato la geometria e la meccanica di un cuore pulsante di un topo, utilizzando tali informazioni per progettare e fabbricare al laser la rete flessibile a quattro punte in modo che possa muoversi con il cuore mentre si contrae.
Testando il dispositivo wireless su topi che si muovono liberamente, i ricercatori hanno dimostrato che il dispositivo può rilevare ritmi anormali e stimolare il cuore con una precisione al millisecondo, e senza che il calore degli impulsi luminosi danneggi il tessuto cardiaco.
La precisione del dispositivo nel rilevare battiti cardiaci anormali è anche paragonabile agli attuali dispositivi di monitoraggio della frequenza cardiaca wireless disponibili in commercio, riferiscono i ricercatori.
Sebbene i risultati di studi sugli animali come questo siano promettenti, è ancora molto presto per l’uso dell’optogenetica negli esseri umani. La tecnica richiede una terapia genica (per rendere le cellule fotosensibili) e un dispositivo elettronico impiantabile per stimolarle in modo controllato.
Sebbene l’optogenetica sia stata utilizzata negli studi clinici per il trattamento di malattie oculari ereditarie rare, l’utilizzo della tecnica per monitorare e possibilmente curare le irregolarità cardiache rimane un approccio emergente che necessita ancora di molta più ricerca.
Ci sono una serie di sfide da superare, inclusa la consegna sicura ed efficace di istruzioni genetiche che codificano per proteine fotosensibili alle cellule del cuore. È inoltre necessario fare ulteriore lavoro per modellare la complessità dei disturbi del ritmo cardiaco e per perfezionare le modalità di questo particolare dispositivo per il rilevamento e la correzione di diversi tipi di aritmie, osservano Gutruf e colleghi.
Quindi, per il momento, il dispositivo a forma di fiore è uno dei tanti che presenta un elegante strumento di ricerca per studiare le aritmie e altri problemi cardiaci mentre si verificano, almeno nei modelli animali.
Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
