Erster transienter Herzschrittmacher löst sich harmlos im Körper auf

Das drahtlose, vollständig implantierbare Gerät ermöglicht eine vorübergehende Stimulation, ohne dass es entfernt werden muss.

Forscher der Universitäten Northwestern und George Washington (GW) haben den ersten vorübergehenden Herzschrittmacher entwickelt - ein drahtloses, batterieloses, vollständig implantierbares Schrittmachergerät, das verschwindet, wenn es nicht mehr benötigt wird.

Das dünne, flexible und leichte Gerät könnte bei Patienten eingesetzt werden, die nach einer Herzoperation oder während der Wartezeit auf einen permanenten Herzschrittmacher vorübergehend einen Schrittmacher benötigen. Alle Komponenten des Schrittmachers sind biokompatibel und werden im Laufe von fünf bis sieben Wochen auf natürliche Weise in die Bioflüssigkeiten des Körpers aufgenommen, ohne dass eine chirurgische Entnahme erforderlich ist.

Das Gerät bezieht seine Energie drahtlos von einer externen, entfernten Antenne, die Nahfeldkommunikationsprotokolle verwendet - dieselbe Technologie, die in Smartphones für elektronische Zahlungen und in RFID-Etiketten eingesetzt wird. Dadurch entfallen sperrige Batterien und starre Hardware, einschließlich Drähte (oder Kabel). Diese können nicht nur Infektionen einschleppen, sondern auch von Narbengewebe umhüllt werden, das beim Entfernen weitere Schäden verursacht.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht. Darin wird die Wirksamkeit des Geräts in einer Reihe von großen und kleinen Tiermodellen nachgewiesen.

"Hardware, die im oder in der Nähe des Herzens platziert wird, birgt das Risiko von Infektionen und anderen Komplikationen", sagte John A. Rogers von Northwestern, der die Entwicklung des Geräts leitete. "Unsere kabellosen, vorübergehenden Herzschrittmacher überwinden die wesentlichen Nachteile herkömmlicher temporärer Geräte, indem sie die Notwendigkeit perkutaner Elektroden für chirurgische Entnahmeverfahren beseitigen und damit das Potenzial für geringere Kosten und bessere Ergebnisse in der Patientenversorgung bieten. Diese ungewöhnliche Art von Geräten könnte die Zukunft der temporären Schrittmachertechnologie darstellen.

"Manchmal benötigen Patienten nur vorübergehend einen Herzschrittmacher, etwa nach einer Operation am offenen Herzen, einem Herzinfarkt oder einer Überdosis Drogen", sagte Dr. Rishi Arora, Kardiologe am Northwestern Medicine, der die Studie mit leitete. "Nachdem sich das Herz des Patienten stabilisiert hat, können wir den Schrittmacher entfernen. Die derzeitige Standardbehandlung beinhaltet das Einsetzen eines Drahtes, der drei bis sieben Tage lang an Ort und Stelle bleibt. Diese Drähte können sich infizieren oder verrutschen.

"Die transiente Elektronikplattform eröffnet ein völlig neues Kapitel in der Medizin und der biomedizinischen Forschung", sagte Igor Efimov von GW, der die Studie gemeinsam mit Rogers und Arora leitete. "Die bioresorbierbaren Materialien, die dieser Technologie zugrunde liegen, ermöglichen die Entwicklung einer ganzen Reihe diagnostischer und therapeutischer transienter Geräte zur Überwachung des Fortschreitens von Krankheiten und Therapien, zur Bereitstellung elektrischer, pharmakologischer und zellulärer Therapien, zur Reprogrammierung von Genen und mehr."

Rogers ist der Louis Simpson und Kimberly Querrey Professor für Materialwissenschaft und -technik, Biomedizinische Technik und Neurologische Chirurgie an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine sowie der Direktor des Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Arora ist Professor für Medizin an der Feinberg School of Medicine und Co-Direktor des Zentrums für Arrhythmieforschung. Efimov ist Alisann und Terry Collins Professor für Biomedizinische Technik an der GW.

Verzicht auf restriktive, riskante Leads

Derzeit müssen Chirurgen bei Operationen am offenen Herzen temporäre Schrittmacherelektroden auf den Herzmuskel aufnähen, um eine vorübergehende Stimulation einzurichten. Die Elektroden werden vorne aus dem Brustkorb des Patienten herausgeführt und mit einer externen Schrittmacherbox verbunden, die Strom zur Steuerung des Herzrhythmus liefert.

Wenn der vorübergehende Herzschrittmacher nicht mehr benötigt wird, entfernen die Ärzte die Schrittmacherelektroden. Zu den möglichen Komplikationen von implantierten temporären Herzschrittmachern, die zwar selten vorkommen, gehören Infektionen, Verrutschen, gerissenes oder beschädigtes Gewebe, Blutungen und Blutgerinnsel.

Mit dem vorübergehenden Herzschrittmacher von Northwestern und GW können Chirurgen und Patienten dieses potenziell riskante Verfahren umgehen. Das vollständig implantierbare Gerät ist leicht und dünn - 250 Mikrometer dick und wiegt weniger als ein halbes Gramm. Es ist weich und flexibel und enthält Elektroden, die sich sanft auf die Herzoberfläche legen, um einen elektrischen Impuls abzugeben.

"Anstatt Drähte zu verwenden, die sich infizieren und lösen können, können wir diesen bleifreien, biokompatiblen Herzschrittmacher implantieren", so Arora. "Die Schaltkreise werden direkt auf der Oberfläche des Herzens implantiert, und wir können sie aus der Ferne aktivieren. Über einen Zeitraum von Wochen 'löst' sich dieser neue Schrittmachertyp von selbst auf oder baut sich ab, so dass die Elektroden des Schrittmachers nicht mehr entfernt werden müssen. Dies ist möglicherweise ein großer Gewinn für postoperative Patienten.

"Mit weiteren Modifikationen könnte es schließlich möglich sein, solche bioresorbierbaren Herzschrittmacher durch eine Vene im Bein oder Arm zu implantieren", fügte er hinzu. "In diesem Fall wäre es auch möglich, Patienten, die einen Herzinfarkt erlitten haben, oder Patienten, die sich kathetergestützten Verfahren wie dem Transkatheter-Aortenklappenersatz unterziehen, vorübergehend mit Schrittmachern zu versorgen.

Vorrang für den Patientenkomfort

Der Herzchirurg Dr. Duc Thinh Pham von Northwestern Medicine, der nicht an der Forschung beteiligt war, kann sich vorstellen, dass ein vorübergehender Herzschrittmacher seinen Patienten zweifellos mehr Komfort bieten würde. Bei den derzeitigen Herzschrittmachern fühlen sich die Patienten oft tagelang unwohl, nachdem die Elektroden eingesetzt wurden. Dann müssen sie ihre Bewegungen und Aktivitäten einschränken, um zu verhindern, dass sich die Elektroden verlagern.

"Dieser transiente Schrittmacher ist genial", sagt Pham, der im Laufe seiner Karriere mehr als 2.000 Herzoperationen durchgeführt hat. "Das Gerät löst nicht nur das primäre Problem, dass Patienten nach einer Herzoperation aufgrund von Blockaden oder Herzrhythmusstörungen vorübergehend einen Schrittmacher benötigen, sondern auch das sekundäre Problem des Patientenkomforts, der Bewegungsfreiheit und der Rehabilitationsfähigkeit. Wenn dieses Gerät erfolgreich ist, wird es den postoperativen Verlauf eines Patienten erheblich verbessern."

Verschwindender Akt

Dies ist das zweite Beispiel für bioresorbierbare elektronische Medizin aus dem Rogers-Labor, das sich seit über einem Jahrzehnt mit transienter Elektronik beschäftigt. Im Jahr 2018 stellten Rogers und Kollegen das weltweit erste bioresorbierbare elektronische Gerät vor - ein biologisch abbaubares Implantat, das die Nervenregeneration beschleunigt. Die bioresorbierbaren Geräte des Teams sind völlig harmlos - ähnlich wie resorbierbare Fäden. Nachdem sie sich vollständig abgebaut haben, verschwinden sie vollständig durch die natürlichen biologischen Prozesse des Körpers.

"Es besteht eindeutig ein Bedarf an besseren temporären Herzschrittmachern", sagt Dr. Bradley Knight, Chester C. und Deborah M. Cooley Distinguished Professor für Kardiologie am Feinberg und Mitautor der Studie. "Als ich zum ersten Mal von dem bioresorbierbaren Nervenstimulator erfuhr, setzte ich mich mit Professor Rogers in Verbindung, um die Möglichkeit zu erkunden, diese Technologie für die Herzschrittmacher einzusetzen. Er hatte bereits damit begonnen, zusammen mit Dr. Efimov eine kleine Version eines bioresorbierbaren Herzschrittmachers zu entwickeln, um das Konzept zu testen. Wir arbeiteten dann mit beiden Teams zusammen, um eine größere Version eines bioresorbierbaren, bleifreien Herzschrittmachers zu entwickeln, der in menschlichem Maßstab wirksam sein könnte. Das ist ein großartiges Beispiel dafür, was wir an der Northwestern University durch die Verknüpfung von technischem und medizinischem Fachwissen erreichen können."

Je nach Patient kann ein vorübergehender Herzschrittmacher zwischen ein paar Tagen und mehreren Wochen benötigt werden. Durch Variation der Materialzusammensetzung und -dicke des Geräts kann Rogers' Team die genaue Anzahl der Tage steuern, die es funktionsfähig bleibt, bevor es sich auflöst.

"Wir bauen diese Geräte aus verschiedenen Arten von sicheren, bioresorbierbaren Materialien und in optimierten Architekturen, um einen stabilen Betrieb über einen etwas längeren Zeitraum als klinisch notwendig zu gewährleisten", so Rogers. "Wir können die Geräte so anpassen, dass sie ein breites Spektrum relevanter Lebensdauern abdecken. Generell könnten transiente Technologien eines Tages eine Therapie oder Behandlung für eine Vielzahl von Erkrankungen bieten - sie dienen gewissermaßen als eine Form der Ingenieursmedizin."

Die Arbeit "Fully bioresorbable, leadless, battery-free cardiac pacemaker" (Vollständig bioresorbierbarer, bleifreier Herzschrittmacher) wurde von der Leducq Foundation (RHYTHM award), den National Institutes of Health (award numbers R01-HL141470, R01-HL140061, and R01-HL125881), der American Heart Association (award number 19PRE34380781, AF SFRN), der National Science Foundation (award number 1842165) und der Ford Foundation unterstützt. Die Co-Erstautoren der Studie sind Yeon Sik Choi, Rose Yin, Jahyun Koo und Anna Pfenniger.

Weitere Informationen:

https://news.northwestern.edu/stories/2021/06/first-ever-transient-pacemaker-harmlessly-dissolves-in-body/ [This is automatically translated from English]