Merevolusi Perawatan Jantung: Elektronik Lunak untuk Mengobati Arritmia
Professor Igor Efimov dan tim di George Washington University di Washington, DC — dalam kolaborasi dengan laboratorium Professor John Rogers dari Northwestern University di Chicago, IL — sedang memioneirkan kelas baru instrumen medis yang menggunakan elektronik fleksibel untuk meningkatkan hasil pasien dalam operasi minimally invasive.
Tech Briefs: Bagaimana Anda memulai proyek ini?
Dr. Igor Efimov: Saya telah melakukan penelitian jantung selama beberapa waktu sekarang. Saya memulai karir saya sebagai peneliti independen di Cleveland Clinic, yang memiliki budaya inovasi yang lama dan telah memiliki banyak terobosan besar. Saya bekerja dengan sejumlah kardiolog cerdas di sana dan saya benar-benar diubah oleh pengalaman itu.
Pekerjaan saya difokuskan pada arritmia dan pengobatan gangguan ritme jantung. Pengalaman penting kedua adalah sekitar tujuh atau delapan tahun yang lalu. Saya mencari platform baru untuk mengimplementasikan perangkat medis dan saya bertemu dengan karya John Rogers, yang sedang membuat kemajuan dalam bahan yang kompatibel biologis. Ia sudah bekerja dengan beberapa ahli biologi, terutama di bidang neurobiologi. Saya mengundangnya untuk bekerja sama dengan saya pada kardiologi, dan kami telah melakukan banyak pekerjaan bersama sejak saat itu. Pertama, kami membuat platform untuk elektronik yang memenuhi organ. Kemudian kami membuat platform untuk elektronik “cerdas” — pada dasarnya perangkat medis yang dilengkapi mikrosirkulasi sendiri, yang memungkinkan pemrosesan sinyal, amplifikasi, multiplexing, dan sebagainya. Proyek kami berikutnya adalah pacemaker yang dapat ditanam tanpa baterai. Kami sekarang bekerja untuk membuatnya dapat terresorpsi tubuh sehingga dapat diserap setelah tidak lagi diperlukan.
Tech Briefs: Bagaimana perangkat tanpa baterai diberi daya?
Dr. Efimov: Pacemaker memiliki antena yang cocok dengan antena eksternal. Anda dapat memiliki sirkuit di luar tubuh Anda — tertanam dalam pakaian Anda atau patch wearable — yang mentransmisikan energi dan pemrograman ke dalam elektronik yang ditanamkan menggunakan transfer daya indaktif.
Pada sekitar 2013 kami telah merancang pacemaker yang bekerja pada tikus. Namun sayangnya, kami menggunakan elektroda kawat perak yang sangat kaku sehingga menyebabkan kerusakan pada otot jantung, sehingga kami memiliki mortalitas yang sangat tinggi pada tikus kami. Itu memberi saya ide untuk menggunakan elektronik lunak yang memenuhi yang telah dirancang oleh John. Itu adalah stimulus awal saya — saya bertanya padanya apakah ia dapat menyelesaikan masalah saya, dan ia melakukannya.
Karya terbaru kami membicarakan cara membuat perangkat untuk kateter transvenus percutan. Ini tidak akan ditanamkan tetapi akan disisipkan di dalam jantung dan diarahkan menuju area arritmia. Ini memiliki lima fungsi berbeda dengan tiga jenis sensor dan aktuator yang dapat melayani dua fungsi yang berbeda. Jenis multifungsi, multiphysik ini memungkinkan Anda untuk secara dramatis meningkatkan kecepatan perawatan ablasi. Ablasi adalah teknologi state-of-the-art yang digunakan untuk pengobatan gangguan ritme jantung. 85% pasien dengan fibrillation atrium (AF) atau tachycardia ventrikular tidak dapat diobati dengan obat, jadi mereka harus hidup dengan penyakit ini. Itu, sayangnya, menyebabkan peningkatan yang dramatis dalam tingkat stroke dan mortalitas. Di AS saja ada sekitar 5 juta pasien AF. Di seluruh dunia, sekitar 15 juta, dan pada 2050 diproyeksikan akan ada 50 juta orang dengan fibrillation atrium karena peningkatan harapan hidup.
Ablasi jantung adalah prosedur yang dapat memperbaiki fibrillation atrium dengan merusak jantung yang menyebabkannya. Saat ini, perawatan dilakukan dengan memasukkan beberapa perangkat keras. Satu digunakan untuk membuat elektrogram yang memetakan arritmia dengan merekam sinyal listrik dari jantung. Elektrogram ini dapat digunakan untuk mencoba memahami sumber arritmia. Perangkat keras lain kemudian dapat disisipkan untuk melakukan ablasi. Ablasi berarti Anda pada dasarnya membakar jaringan, menggunakan arus RF, yang meningkatkan suhu jaringan menjadi sekitar 55°C – 60°C [131°F – 140°F]. Sebagai hasilnya, Anda membunuh sel yang bertanggung jawab atas arritmia dan berharap membunuh AF. Karena Anda melakukan prosedur secara asinkron, satu untuk lokasi dan yang lain untuk ablasi, ada banyak kesulitan teknis untuk melakukannya dengan benar. Ini memerlukan sinar x, karena saat 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 tangkapan sinar x. Ini mengekspos 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 begitu banyak kali karena perangkat kami memiliki banyak sensor dan aktuator yang mencakup area besar jantung. Anda dapat memetakan dan melakukan ablasi tanpa memindahkan ulang kateter secara berulang-ulang, yang akan mengurangi paparan radiasi.
Ada beberapa modalitas tambahan yang biasanya tidak ada dalam perangkat pemetaan seperti itu: matriks sensor suhu, dan matriks lain sensor gaya. Kedua matriks ini memberi Anda bacaan secara real-time. Sensor suhu memungkinkan Anda memantau suhu saat Anda melakukan ablasi, yang sangat penting karena jika Anda tidak berada dalam rentang suhu yang benar, ablasi akan gagal. Jika Anda melebihi tujuan pemadaman dengan 100°C, itu akan berbahaya, karena Anda akan merebus cairan interstisial dan darah dan ini akan menciptakan masalah seperti gelembung, yang dapat menyebabkan infark dan stroke. Jadi, Anda harus sangat tepat. Pengukuran matriks gaya memungkinkan Anda untuk menegaskan 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 seberapa banyak energi Anda terapkan ke aktuator, mereka tidak akan memberikan energi yang tepat ke jantung itu sendiri.
Cara ablasi dilakukan sekarang, adalah dengan kateter satu titik tunggal, katakanlah kawat yang Anda sisipkan di dalam jantung, yang Anda sokok titik demi titik. Dalam kasus kami, kita akan memiliki ratusan sensor yang mencakup area besar jantung. Kontak yang sangat kritis ini hanya dapat ditetapkan menggunakan pengukuran gaya. Anda sayangnya tidak dapat melihat jantung dengan sinar x karena itu adalah jaringan lunak dan kontak dengan otot jantung sangat kecil. Jadi, Anda dapat melihat kateter dengan sinar x tetapi bukan jantung itu sendiri.
Perangkat kami juga memungkinkan kita untuk melakukan jenis ablasi alternatif. Saat ini dilakukan terutama dengan RF, yang disebut ablasi termal karena arus RF meningkatkan suhu. Alternatifnya, kita dapat menggunakan krioablasi, prosedur yang banyak digunakan, meskipun kurang umum, di mana Anda membeku jantung.
Metode lain yang muncul sekarang, disebut elektroporasi irreversibel, di mana alih-alih membakar jaringan, Anda mengocoknya dengan arus tinggi yang membuat lubang pada sel membran dan membunuh sel. Ini dilakukan dalam mikrodetik, sementara metode termal seperti RF membutuhkan beberapa menit untuk memasak jaringan sehingga dapat membunuhnya. Elektroporasi irreversibel sekarang muncul sebagai teknologi non-termal, meskipun belum sepenuhnya dikembangkan untuk aplikasi jantung. Namun, perangkat kami memiliki kemampuan untuk melakukannya.
Untuk merangkum: perangkat kami dapat melakukan ablasi di banyak lokasi — Anda tidak perlu memindahkan kateter di sekitar. Anda dapat melakukan ablasi seluruh area sesuai kebutuhan, berdasarkan peta arritmia yang dihasilkan dari perangkat yang sama. Ini unik — belum pernah dilakukan sebelumnya, memiliki pemetaan dan ablasi dalam perangkat yang sama. Serta, sensing termal dan gaya untuk memastikan keselamatan.
Tech Briefs: Satu pertanyaan: Untuk elektroporasi, apakah arus melewati sel?
Dr. Efimov: Ya, saat Anda menerapkan energi yang cukup dengan merangsang jaringan atau sel, Anda mengganggu membran karena arus mengalir melalui membran lipid, yang biasanya tidak konduktif. Mereka terdiri dari lemak, pada dasarnya, yang tidak mengantri listrik, tetapi jika Anda menerapkan energi yang cukup Anda akan membuat pori pada membran dan akan membunuh sel.
Elektroporasi reversebel adalah aplikasi lain, yang menggunakan energi sedikit lebih sedikit. Ini digunakan untuk pengiriman makromolekul. Untuk terapi gen, untuk menyebut satu contoh, Anda juga harus membuat pori pada sel, membuat lubang di dalamnya, tapi lubang ringan. Dan lubang-lubang itu akan memperbaiki diri sendiri kemudian. Ini memungkinkan Anda untuk memasukkan makromolekul ke dalam sel, seperti potongan RNA atau protein atau molekul besar lainnya. Ini tidak dapat menembus membran sel yang utuh, tetapi dapat melalui pori yang dibuat oleh arus elektroporasi. Kami merencanakan untuk perangkat kami digunakan untuk itu juga. Jadi, jika seseorang membutuhkan terapi gen di beberapa area jantung, kami dapat memberikan arus elektroporasi dan memberikan terapi yang sesuai.
Tech Briefs: Bagaimana Anda mendapatkan daya RF ke dalam perangkat dan bagaimana Anda mendapatkan cukup daya RF untuk pemanasan?
Dr. Efimov: Pertanyaan bagus. Ini menunjukkan mengapa perangkat ini tidak akan bisa benar-benar dapat ditanamkan. Perangkat kami adalah kateter yang terhubung dengan kabel ke elektronik luar dan diinstrumen pada struktur seperti balon. Anda membuat insisi, Anda membuka vena, biasanya di area selangkangan, dan Anda melalui vena ke dalam jantung, tetapi terhubung dengan kabel ke elektronik luar. Saat berada di jantung Anda menempatkannya, Anda melepaskannya, dan itu membentuk bentuk. Atau Anda dapat memasukkan cairan garam di dalam balon, dan itu membentuk bentuk yang sesuai. Meskipun bertemu dengan jaringan, itu terhubung dengan kabel. Itulah cara Anda memberikan energi yang cukup. Saat ini, saya tidak tahu sumber energi yang cukup besar untuk memberikan sesuatu seperti itu secara nirkabel atau dari baterai.
Tech Briefs: Dan apakah hal yang sama berlaku untuk elektroporasi?
Dr. Efimov: Ya, elektroporasi khususnya sebenarnya membutuhkan energi yang lebih tinggi. Untuk prosedur ini, namun, Anda tidak membutuhkan apa yang dapat ditanamkan. Ratusan ribu pasien setiap tahun di Amerika Serikat saja, diablasi untuk indikasi arritmia. Seperti yang saya katakan, obat biasanya tidak bekerja, jadi satu-satunya cara Anda dapat melakukan sesuatu tentang itu, adalah dengan ablasi. Untuk ablasi, Anda memasukkan elektroda, pasien berbaring di atas meja dan dirabun ringan. Anda memasukkan kabel, Anda melakukan prosedur, Anda menghapus perangkat keras, dan kemudian pasien pulang ke rumah.
Tetapi kami juga bekerja pada prosedur lain. Faktanya, saya telah mengembangkan perangkat yang dapat ditanamkan untuk pengobatan fibrillation atrium atau ventrikular dengan terapi energi lebih rendah, tetapi kami tidak melakukan ablasi dengan perangkat ini. Kami menerapkan deretan pulsa pada energi rendah untuk mengakhiri arritmia. Namun, perangkat yang dapat ditanamkan memiliki persyaratan yang jauh lebih ketat karena Anda akan membiarkannya di dalam tubuh pasien untuk waktu yang lama.
Tech Briefs: Saya melihat dalam ilustrasi Anda bahwa Anda memiliki sejumlah besar sensor dan aktuator pada balon di ujung kateter. Bagaimana Anda menyambungkannya?
Dr. Efimov: Anda dapat langsung menyambungkan dengan kawat serpentine, yang memungkinkan fleksibilitas, namun dalam hal itu, Anda akan memiliki bottleneck. Jadi, kami melengkapi setiap sensor dan aktuator dengan sirkuitnya sendiri. Jika itu sensor, kami memiliki sirkuit untuk amplifikasi, filterisasi, dan multiplexing. Jika itu aktuator, kami melakukan multiplexing. Jika Anda berbicara tentang sistem throughput tinggi, multiplexing diperlukan. Di masa depan, saya harap kita akan perlu dari ratusan hingga ribuan sensor dan aktuator, jadi itu pasti akan memerlukan multiplexing.
Tech Briefs: Jenis aktuator apa yang Anda gunakan?
Dr. Efimov: Untuk aplikasi ini, hanya listrik, baik untuk ablasi RF atau untuk elektroporasi irreversibel. Namun, sebelumnya kami menulis tentang bagaimana kita dapat memiliki aktuator untuk cahaya, misalnya, untuk spektroskopi optik. Aktuator pada jenis perangkat itu akan memiliki LED dan fotodioda. LED akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu, yang akan merangsang fluoresensi dalam molekul di dalam jantung dan fotodioda akan mengumpulkan fluoresensi itu. Itu akan memberikan kita bacaan untuk berbagai proses seluler di dalam jantung, misalnya, metabolisme. Jadi, ada berbagai jenis sensor dan aktuator.
Tech Briefs: Apakah Anda telah mengujinya pada hewan laboratorium?
Dr. Efimov: Untuk proyek kami sebelumnya, di mana kami mengembangkan pacemaker miniatur tanpa baterai, kami menunjukkan bahwa kami dapat menanamkannya di tikus, yang dapat memilikinya selama sekitar sebulan, dan menggunakannya sebagai kardio-stimulator jangka panjang.
Tech Briefs: Jadi, apakah Anda juga telah menguji perangkat ini pada tikus?
Dr. Efimov: Kami menguji perangkat ini di beberapa pengaturan, di jantung manusia yang diekstrak, yang tidak dapat diterima untuk transplantasi, yang kami terima dari organisasi pengadaan organ lokal kami di Washington DC. Akhirnya, kami berencana untuk mengujinya pada manusia. Tetapi kami melakukan tes pada babi. Kami tidak dapat menguji kateter ini pada hewan kecil karena dirancang untuk ukuran jantung manusia.
Tech Briefs: Apakah Anda memiliki ide umum tentang kapan ini akan dikomersialkan?
Dr. Efimov: Saya akan berkata dengan aman bahwa tiga hingga lima tahun adalah angka yang baik. Untuk startup klinis, kami perlu mendapatkan venture capital — itu adalah langkah berikutnya kami.
Tech Briefs: Bagaimana dengan pekerjaan Anda sebelumnya tentang defibrilator yang dapat ditanamkan?
Dr. Efimov: Tujuan saya adalah untuk mengurangi jumlah energi yang diperlukan untuk defibrilasi. Saat ini, defibrilator, yang ditanamkan di dada manusia untuk arritmia ventrikular atau kematian jantung mendadak, menyelamatkan nyawa. Namun mereka bisa hidup tidak tepat waktu terkadang saat pasien sadar dan itu sangat menyakitkan. Ini adalah sejumlah besar energi yang diberikan ke dada. Karena rasa sakit yang diinduksi schok, mereka tidak dapat digunakan untuk pasien dengan fibrillation atrium. Pasien dengan fibrillation atrium sadar, berbeda dengan pasien dalam keadaan kematian jantung mendadak akibat fibrillation ventrikular, yang sudah tidak sadar, dan untuk mereka, ini adalah masalah hidup dan mati, jadi untuk mereka, ini bukan tentang rasa sakit.
Pekerjaan kami tentang cara mengubah strategi defibrilasi untuk membuatnya bebas nyeri. Itulah yang saya lakukan selama beberapa tahun. Kami sekarang melakukan uji klinis dengan teknologi defibrilator yang dapat ditanamkan.
Tech Briefs: Sepertinya pekerjaan Anda akan membuat perubahan besar dalam pengobatan penyakit jantung.
Dr. Efimov: Saya pikir begitu. Apa yang John Rogers telah kerjakan selama bertahun-tahun sebagai ilmuwan bahan — ia mengambil tanggung jawab untuk mengembangkan seluruh tradisi manufaktur elektronik, dari bahan yang kompatibel biologis: lunak, regang, kompatibel, dan tidak menyebabkan peradangan. Semua pekerjaan ini sekarang sedang membuahkan hasil di banyak bidang medis. Saya khususnya tertarik pada kardiologi, tetapi ada juga pekerjaan yang dilakukan dalam neurologi, antarmuka otak-komputer, kontrol otot untuk pasien dengan kerusakan saraf, dan seterusnya. Jadi, ini adalah waktu yang sangat bagis untuk berada di bidang bioelektronik. Saya pikir sepuluh hingga lima belas tahun ke depan akan sangat luar biasa!
Misalnya, saya adalah bagian dari komunitas yang didirikan oleh NIH; program yang disebut SPARC, yang difokuskan pada cara mengontrol saraf perifer yang mengontrol organ perifer untuk pada dasarnya mengontrol berbagai penyakit. Sistem saraf simpatik dan parasimpatik mengontrol semua organ di tubuh: jantung, paru-paru, perut, usus, dan seterusnya. Anda dapat mengurangi beban banyak penyakit, atau bahkan menghilangkan penyakit, jika Anda dapat mengontrol saraf. Kami sekarang bekerja untuk membangun antarmuka yang akan dapat merangsang saraf simpatik dan parasimpatik dan juga merekamnya. Ini juga akan transformasional di banyak bidang medis.
Tech Briefs: Seperti ficta ilmiah bagi saya.
Dr. Efimov: Sepuluh tahun yang lalu, itu adalah ficta ilmiah. Faktanya, saya sedang menulis hibah lain saat ini bersama beberapa mitra kerja di mana saya mengajukan penggunaan kata yang kini dilupakan “cyborg” dalam judul, karena itu sia sibernetik dan organik.
Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di edisi November 2020 Tech Briefs.
