T&J:Elektronik Lembut Mengobati Aritmia Jantung

Profesor Igor Efimov dan tim di Universitas George Washington di Washington, DC — bekerja sama dengan laboratorium Profesor John Rogers dari Universitas Northwestern di Chicago, IL — merintis kelas baru instrumen medis yang menggunakan elektronik fleksibel untuk meningkatkan hasil pasien dalam invasif minimal operasi.

Ringkasan Teknologi: Bagaimana Anda memulai proyek ini?

Dr. Igor Efimov: Saya telah melakukan penelitian jantung untuk beberapa waktu sekarang. Saya memulai karir saya sebagai penyelidik independen di Klinik Cleveland, yang memiliki budaya inovasi yang panjang dan memiliki banyak terobosan besar. Saya bekerja dengan sejumlah ahli jantung brilian di sana dan saya benar-benar berubah oleh pengalaman itu.

Pekerjaan saya difokuskan pada aritmia dan pengobatan gangguan irama jantung. Pengalaman penting kedua adalah sekitar tujuh atau delapan tahun yang lalu. Saya sedang mencari platform baru untuk menerapkan perangkat medis dan saya menemukan karya John Rogers, yang membuat kemajuan dalam bahan yang kompatibel secara biologis. Dia sudah bekerja dengan beberapa ahli biologi, terutama di bidang ilmu saraf. Saya mengundangnya untuk berkolaborasi dengan saya di bidang kardiologi, dan kami telah melakukan banyak pekerjaan bersama sejak saat itu. Pertama, kami membuat platform untuk elektronik organ-konformal. Kemudian kami melanjutkan dan menciptakan platform untuk elektronik "pintar" — pada dasarnya perangkat medis yang dilengkapi dengan sirkuit mikronya sendiri, yang memungkinkan pemrosesan sinyal, amplifikasi, multiplexing, dan sebagainya. Proyek kami berikutnya adalah alat pacu jantung implan tanpa baterai. Kami sekarang bekerja untuk membuatnya dapat diserap tubuh sehingga dapat diserap setelah tidak lagi dibutuhkan.

Ringkasan Teknologi: Bagaimana daya perangkat bebas baterai?

Dr. Efimov: Alat pacu jantung memiliki antena yang cocok dengan antena eksternal. Anda dapat memiliki sirkuit di luar tubuh Anda — tertanam di pakaian Anda atau tambalan yang dapat dikenakan — yang mentransmisikan energi dan pemrograman ke dalam elektronik yang ditanamkan menggunakan transfer daya induktif.

Sekitar tahun 2013 kami telah merancang alat pacu jantung yang berfungsi di mouse. Tapi sayangnya, kami menggunakan elektroda kawat perak yang sangat kaku sehingga menyebabkan kerusakan pada otot jantung, sehingga kami memiliki kematian yang sangat tinggi dengan tikus kami. Itu memberi saya ide untuk menggunakan elektronik konformal lunak yang dirancang John. Itu adalah stimulus awal saya — saya bertanya apakah dia bisa menyelesaikan masalah saya, dan dia melakukannya.

Makalah terbaru kami berbicara tentang cara membuat perangkat untuk kateter transvena perkutan. Itu tidak akan ditanamkan tetapi akan dimasukkan ke dalam jantung dan diarahkan ke area aritmia. Ini memiliki lima fungsi yang berbeda dengan tiga jenis sensor dan aktuator yang dapat melayani dua fungsi yang berbeda. Multifungsi, multifisika semacam ini memungkinkan Anda untuk secara dramatis meningkatkan kecepatan perawatan ablatif. Ablasi adalah teknologi canggih yang digunakan untuk pengobatan gangguan irama jantung. 85% pasien dengan atrial fibrilasi (AF) atau takikardia ventrikel tidak dapat diobati dengan obat-obatan, sehingga mereka harus hidup dengan penyakit ini. Sayangnya, itu mengarah pada peningkatan dramatis dalam tingkat stroke dan kematian. AS sendiri memiliki sekitar 5 juta pasien AF. Di seluruh dunia, jumlahnya sekitar 15 juta, dan pada tahun 2050 diproyeksikan akan ada 50 juta orang dengan fibrilasi atrium karena peningkatan harapan hidup.

Ablasi jantung adalah prosedur yang dapat memperbaiki fibrilasi atrium dengan menghancurkan jaringan jantung yang menyebabkannya. Saat ini, perawatan dilakukan dengan memasukkan beberapa perangkat keras. Satu digunakan untuk membuat elektrogram yang memetakan aritmia dengan merekam sinyal listrik dari jantung. Elektrogram ini dapat digunakan untuk mencoba memahami sumber aritmia. Perangkat keras lain kemudian dapat dimasukkan untuk melakukan ablasi. Ablasi berarti Anda pada dasarnya membakar jaringan, menggunakan arus RF, yang meningkatkan suhu jaringan hingga sekitar 55 °C – 60 °C [131 °F – 140 °F]. Akibatnya, Anda membunuh sel-sel yang bertanggung jawab atas aritmia dan mudah-mudahan membunuh AF. Karena Anda melakukan prosedur secara tidak sinkron, satu untuk lokasi dan yang lainnya untuk ablasi, ada banyak kesulitan teknis untuk melakukannya dengan benar. Ini membutuhkan sinar-x, karena ketika Anda memasukkan elektroda, Anda jelas tidak memiliki garis pandang langsung. Satu-satunya cara Anda dapat melihat perangkat keras di dalam jantung dan menavigasi dengan benar, adalah dengan menggunakan foto sinar-X. Ini memaparkan pasien dan dokter pada dosis radiasi yang tidak sepenuhnya aman. Teknologi kami dapat mengurangi radiasi dengan menggabungkan pemetaan dan ablasi ke dalam satu perangkat. Anda tidak perlu memindahkan perangkat berkali-kali karena perangkat kami memiliki banyak sensor dan aktuator yang mencakup area jantung yang luas. Oleh karena itu, Anda dapat memetakan dan mengikis tanpa memposisikan ulang kateter secara berulang, yang akan mengurangi paparan radiasi.

Ada beberapa modalitas tambahan yang biasanya tidak ada dalam perangkat pemetaan tersebut:matriks sensor suhu, dan satu lagi sensor gaya. Kedua matriks ini memberi Anda pembacaan secara real time. Sensor suhu memungkinkan Anda untuk memantau suhu saat Anda melakukan ablasi, yang sangat penting karena jika Anda tidak berada dalam kisaran suhu yang benar, ablasi akan gagal. Jika Anda melebihi target pemadaman sebesar 100 °C, itu akan berbahaya, karena Anda akan mendidihkan cairan interstisial dan darah dan ini akan menimbulkan masalah seperti gelembung, yang dapat menyebabkan infark dan stroke. Jadi, Anda harus sangat tepat. Matriks pengukuran gaya memungkinkan Anda untuk menetapkan bahwa Anda memiliki kontak fisik yang baik antara matriks ablasi dan jantung, yang sangat penting untuk ablasi, karena jika Anda tidak memiliki kontak yang baik, tidak peduli berapa banyak energi yang Anda berikan ke aktuator, mereka tidak akan mengirimkan energi yang sesuai ke jantung itu sendiri.

Cara ablasi dilakukan sekarang, adalah dengan kateter satu titik tunggal, secara harfiah kawat yang Anda masukkan ke dalam jantung, yang Anda sobek di sekitar tempat demi tempat. Dalam kasus kami, kami akan memiliki 100-an sensor yang mencakup area jantung yang luas. Kontak yang sangat kritis ini hanya dapat dilakukan dengan menggunakan pengukuran gaya. Sayangnya, Anda tidak dapat melihat jantung dengan sinar-x karena ini adalah jaringan lunak dan kontak dengan otot jantung sangat kecil. Jadi, Anda dapat melihat kateter dengan rontgen tetapi tidak dengan jantung itu sendiri.

Perangkat kami juga memungkinkan kami untuk melakukan jenis ablasi alternatif. Saat ini dilakukan terutama oleh RF, yang disebut ablasi termal karena arus RF meningkatkan suhu. Atau, kita dapat menggunakan cryoablation, prosedur yang banyak digunakan, meskipun kurang umum, di mana Anda membekukan jantung.

Metode lain yang muncul sekarang, disebut elektroporasi ireversibel, di mana alih-alih membakar jaringan, Anda menyetrumnya dengan arus tinggi yang melubangi membran sel dan dengan demikian membunuh sel. Ini dilakukan dalam mikrodetik, sementara metode termal seperti RF memerlukan beberapa menit untuk memasak jaringan sehingga dapat membunuhnya. Elektroporasi ireversibel sekarang muncul sebagai teknologi non-termal, meskipun belum sepenuhnya dikembangkan untuk aplikasi jantung. Namun, perangkat kami memiliki kemampuan untuk melakukannya.

Singkatnya:perangkat kami dapat melakukan ablasi di beberapa lokasi — Anda tidak perlu memindahkan kateter. Anda dapat mengikis seluruh area sesuai kebutuhan, berdasarkan peta aritmia yang berasal dari perangkat yang sama. Ini unik — belum pernah dilakukan sebelumnya, memiliki pemetaan dan ablasi di perangkat yang sama. Plus, sensor termal dan kekuatan untuk memastikan keamanan.

Ringkasan Teknologi: Satu pertanyaan:Untuk elektroporasi, apakah arus mengalir melalui sel?

Dr. Efimov: Ya, ketika Anda menerapkan energi dalam jumlah yang cukup dengan merangsang jaringan atau sel, Anda mengganggu membran karena arus mengalir melalui membran lipid, yang biasanya nonkonduktif. Mereka terdiri dari lemak, pada dasarnya, yang tidak menghantarkan listrik, tetapi jika Anda menerapkan energi yang cukup, Anda akan merusak membran dan akan membunuh sel.

Elektroporasi reversibel adalah aplikasi lain, yang menggunakan energi yang sedikit lebih sedikit. Ini digunakan untuk pengiriman makromolekul. Untuk terapi gen, untuk mengutip satu contoh, Anda juga harus membuat pori-pori sel, membuat lubang di dalamnya, tetapi lubang ringan. Dan lubang-lubang itu akan memperbaiki dirinya sendiri kemudian. Ini memungkinkan Anda untuk menempatkan makromolekul di dalam sel, seperti potongan RNA atau protein atau beberapa molekul besar lainnya. Ini tidak dapat menembus membran sel yang utuh, tetapi mereka dapat melewati pori-pori yang dibuat oleh arus elektroporasi. Kami berencana untuk perangkat kami digunakan untuk itu juga. Jadi, jika seseorang membutuhkan terapi gen di beberapa area jantung, kami dapat mengirimkan arus elektroporasi dan memberikan terapi yang sesuai.

Ringkasan Teknologi: Bagaimana cara memasukkan daya RF ke perangkat dan bagaimana cara mendapatkan daya RF yang cukup untuk pemanasan?

Dr. Efimov: Pertanyaan bagus. Ini menunjukkan mengapa perangkat ini tidak dapat benar-benar ditanamkan. Perangkat kami adalah kateter yang terhubung dengan kabel ke elektronik luar dan diinstrumentasikan pada struktur seperti balon. Anda membuat sayatan, Anda membuka pembuluh darah, biasanya di daerah selangkangan, dan Anda masuk melalui pembuluh darah ke jantung, tetapi terhubung dengan kabel ke elektronik luar. Ketika di dalam hati Anda menyebarkannya, Anda melepaskannya, dan itu terbentuk. Atau Anda dapat memasukkan garam ke dalam balon, dan itu mengambil bentuk yang sesuai. Meskipun bersentuhan dengan jaringan, itu terprogram. Begitulah cara Anda memberikan energi yang cukup. Saat ini, saya tidak tahu sumber energi yang cukup besar untuk mengirimkan sesuatu seperti itu secara nirkabel atau dari baterai.

Ringkasan Teknologi: Dan apakah hal yang sama berlaku untuk elektroporasi?

Dr. Efimov: Ya, elektroporasi khususnya sebenarnya membutuhkan energi yang lebih tinggi lagi. Namun, untuk prosedur ini, Anda tidak memerlukan apa pun yang dapat ditanamkan. Ratusan ribu pasien setahun di Amerika Serikat saja, diablasi untuk indikasi aritmia. Seperti yang saya katakan, obat-obatan biasanya tidak bekerja, jadi satu-satunya cara Anda dapat melakukan sesuatu untuk mengatasinya, adalah dengan mengikis. Untuk ablasi, Anda memasukkan elektroda, pasien berbaring di atas meja dan dibius ringan. Anda memasukkan kabel, Anda melakukan prosedur, Anda melepas perangkat keras, dan kemudian pasien pulang.

Tapi kami sedang mengerjakan prosedur lain juga. Sebenarnya, saya telah mengembangkan perangkat implan untuk pengobatan fibrilasi atrium atau ventrikel dengan terapi energi yang lebih rendah, tetapi kami tidak menghilangkan dengan perangkat ini. Kami menerapkan urutan pulsa dengan energi rendah untuk menghentikan aritmia. Namun, perangkat implan memiliki persyaratan yang jauh lebih ketat karena Anda akan meninggalkannya di tubuh pasien untuk waktu yang lama.

Ringkasan Teknologi: Saya melihat dalam ilustrasi Anda bahwa Anda memiliki sejumlah besar sensor dan aktuator pada balon di ujung kateter. Bagaimana Anda menghubungkannya?

Dr. Efimov: Anda dapat langsung terhubung dengan kabel serpentine, yang memungkinkan fleksibilitas, tetapi dalam hal ini, Anda akan mengalami hambatan. Jadi, kami melengkapi setiap sensor dan aktuator dengan sirkuitnya sendiri. Jika itu adalah sensor, kami memiliki sirkuit untuk amplifikasi, penyaringan, dan multiplexing. Jika itu adalah aktuator, kami melakukan multiplexing. Jika Anda berbicara tentang sistem throughput tinggi, multiplexing diperlukan. Di masa depan, saya berharap kita akan membutuhkan dari ratusan hingga ribuan sensor dan aktuator, sehingga pasti akan membutuhkan multiplexing.

Ringkasan Teknologi: Jenis aktuator apa yang Anda gunakan?

Dr. Efimov: Untuk aplikasi ini, hanya listrik, apakah itu untuk ablasi RF atau untuk elektroporasi ireversibel. Namun, sebelumnya kami menulis tentang bagaimana kami dapat memiliki aktuator untuk cahaya, misalnya, untuk spektroskopi optik. Aktuator pada perangkat semacam itu akan memiliki LED dan fotodioda. LED akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu, yang akan membangkitkan fluoresensi dalam molekul di dalam jantung dan fotodioda akan mengumpulkan fluoresensi itu. Itu akan memberi kita pembacaan untuk berbagai proses seluler di jantung, misalnya, metabolisme. Jadi, ada berbagai jenis sensor dan aktuator.

Ringkasan Teknologi: Sudahkah Anda mengujinya pada hewan laboratorium?

Dr. Efimov: Untuk proyek kami sebelumnya, di mana kami mengembangkan alat pacu jantung mini tanpa baterai, kami menunjukkan bahwa kami dapat menanamkannya pada tikus, yang dapat memilikinya selama sekitar satu bulan, dan menggunakannya sebagai stimulator kardio dalam jangka panjang.

Ringkasan Teknologi: Jadi, apakah Anda juga menguji perangkat ini pada tikus?

Dr. Efimov: Kami menguji perangkat ini dalam beberapa pengaturan, di hati manusia yang dieksplan, yang tidak dapat diterima untuk transplantasi, yang kami terima dari organisasi pengadaan organ lokal kami di Washington DC. Pada akhirnya, kami berencana untuk mengujinya pada manusia. Tapi kami melakukan tes pada babi. Kami tidak dapat menguji kateter ini pada hewan kecil karena dirancang untuk ukuran jantung manusia.

Ringkasan Teknologi: Apakah Anda memiliki gambaran umum tentang kapan ini dapat dikomersialkan?

Dr. Efimov: Saya akan mengatakan dengan aman bahwa tiga sampai lima tahun adalah angka yang bagus. Untuk startup klinis, kami perlu mendapatkan modal ventura — itulah langkah kami selanjutnya.

Ringkasan Teknologi: Bagaimana dengan pekerjaan Anda sebelumnya pada defibrillator implan?

Dr. Efimov: Tujuan saya adalah untuk mengurangi jumlah energi yang dibutuhkan untuk defibrilasi. Saat ini, defibrillator, yang ditanamkan di dada manusia untuk aritmia ventrikel atau kematian jantung mendadak, menyelamatkan nyawa. Tapi mereka kadang-kadang bisa meledak dengan tidak tepat ketika pasien sadar dan itu sangat menyakitkan. Ini adalah sejumlah besar energi yang dikirim ke dada. Karena rasa sakit yang disebabkan oleh syok, mereka tidak dapat digunakan untuk pasien dengan fibrilasi atrium. Pasien dengan fibrilasi atrium sadar, tidak seperti pasien dalam keadaan kematian jantung mendadak karena fibrilasi ventrikel, yang sudah tidak sadar, dan untuk siapa ini adalah masalah hidup dan mati, jadi bagi mereka, ini bukan tentang rasa sakit.

Pekerjaan kami adalah tentang bagaimana mengubah strategi defibrilasi untuk membuatnya bebas rasa sakit. Itulah yang saya lakukan selama beberapa tahun. Kami sekarang melakukan uji klinis dengan teknologi defibrilator implan.

Ringkasan Teknologi: Bagi saya, pekerjaan Anda akan membuat perubahan besar dalam pengobatan penyakit jantung.

Dr. Efimov: Saya kira demikian. Apa yang telah dikerjakan John Rogers selama bertahun-tahun sebagai ilmuwan material — dia mengambil inisiatif untuk mengembangkan seluruh tradisi manufaktur elektronik, dari material yang sesuai secara biologis:lembut, dapat diregangkan, sesuai, dan tidak menyebabkan peradangan. Semua pekerjaan ini sekarang membuahkan hasil di banyak bidang kedokteran. Saya sangat tertarik pada kardiologi, tetapi ada juga pekerjaan yang dilakukan di neurologi, antarmuka otak-komputer, dalam kontrol otot untuk pasien dengan kerusakan saraf, dan seterusnya. Jadi, ini adalah saat yang tepat untuk berada di bidang bioelektronika. Saya pikir sepuluh hingga lima belas tahun ke depan akan sangat fantastis!

Misalnya, saya adalah bagian dari komunitas yang didirikan oleh NIH; sebuah program yang disebut SPARC, yang berfokus pada bagaimana mengontrol saraf perifer yang mengontrol organ perifer untuk mengontrol berbagai penyakit pada dasarnya. Sistem saraf simpatis dan parasimpatis mengontrol semua organ dalam tubuh:jantung, paru-paru, perut, usus, dan sebagainya. Anda dapat mengurangi beban banyak penyakit, atau bahkan menghilangkan penyakit, jika Anda dapat mengendalikan saraf. Kami sekarang sedang membangun antarmuka yang dapat merangsang saraf simpatik dan parasimpatis dan juga merekamnya. Ini juga akan menjadi transformasi di banyak bidang kedokteran.

Ringkasan Teknologi: Kedengarannya seperti fiksi ilmiah bagi saya.

Dr. Efimov: Sepuluh tahun yang lalu, adalah fiksi ilmiah. Sebenarnya, saya sedang menulis hibah lain sekarang bersama dengan beberapa kolaborator yang saya usulkan menggunakan kata "cyborg" yang sekarang terlupakan dalam judulnya, karena ini bersifat sibernetik dan organik.

Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di Tech Briefs edisi November 2020.