Pacemaker: funzionamento e nuovo prototipo ultrasottile

Milioni di pazienti si affidano ai pacemaker, piccoli dispositivi che regolano gli impulsi elettrici del cuore per mantenerne il funzionamento ottimale in caso di disfunzione elettrica dell’organo. Per ridurre le complicazioni del suo inserimento, i ricercatori cercano costantemente di rendere questi dispositivi di dimensioni sempre più ridotte e di ideare procedure di inserimento meno invadenti. In questa prospettiva, gli scienziati dell’Università di Chicago hanno sviluppato un nuovo pacemaker incredibilmente sottile, wireless e gestito interamente dalla luce di una fibra ottica.

Struttura e funzionamento di un pacemaker standard

Il cuore pompa grazie ad una serie di impulsi elettrici precisi, accade però che per diverse ragioni il ritmo possa subire delle variazioni e causare molteplici tipologie di disturbi come: ictus, attacchi di cuore o anche la morte dell’organo stesso. I pacemaker, comunemente, sono composti dai seguenti componenti:

1. Cavi: sono presenti due cavi (in alcuni pazienti con fibrillazione atriale vi è un solo cavo) molto sottili, flessibili ed elettricamente isolati; questi vengono inseriti dalla vena nella parte superiore della spalla fino ad arrivare nelle cavità destre del cuore.
2. Scatola pacemaker: i cavi, inoltre, sono collegati ad una scatola che contiene una batteria ed un piccolo computer che registra eventuali anomalie del ritmo cardiaco. La scatola viene posizionata all’incirca sotto la clavicola. Il pacemaker percepisce l’attività cardiaca e se rileva che il cuore rallenta o perde un battito, invia un impulso elettrico per stimolarlo e riportarlo al ritmo normale.
3. Batteria: la durata media della vita di una batteria è di circa 6-7 anni. La procedura per la sua sostituzione è molto più semplice rispetto a quella dell’inserimento del dispositivo.
4. Elettrodi: all’apice di ogni cavo vi sono gli elettrodi, questi sono i punti di contatto tra il pacemaker ed il cuore.
5. Barre o viti: tendenzialmente, i cavi sono attaccati al muscolo cardiaco da un piccolo meccanismo a vite.

I pacemaker monitorano e correggono i ritmi anormali, ma richiedono interventi chirurgici invasivi per il loro inserimento. Da qui la necessità dei ricercatori di ridurre i rischi correlati alle operazioni chirurgiche.

Struttura del nuovo prototipo di pacemaker ultraleggero

Il nuovo dispositivo è meno invasivo e presenta un film sottile di appena 1 μm di spessore. Inoltre, pesa meno di un cinquantesimo di grammo, ossia molto meno rispetto agli attuali pacemaker che pesano almeno 5 grammi. Non necessita di una batteria poiché è alimentato dalla luce. Ovviamente, la luce di solito non raggiunge il cuore, quindi vi è la necessità di inserire una fibra ottica accanto al dispositivo. La fibra si illumina in un modello specifico che innesca il film sottile, composto da due strati di silicio di tipo P, per produrre una corrente elettrica. Lo strato superiore ha molti piccoli fori, una condizione nota come nanoporosità, che aumentano le prestazioni elettriche. Il risultato è una minuscola membrana flessibile che può essere inserita nel corpo tramite un piccolo tubo in un intervento chirurgico minimamente invasivo.

Test in vitro ed in vivo del nuovo prototipo

Il team ha testato il nuovo dispositivo in vitro su dei campioni di tessuto cardiaco umano cresciuto in laboratorio, poi in cuori di ratti. In seguito, si è verificato il funzionamento in vivo su topi e maiali viventi. In tutti i casi, la tecnica ha funzionato per la stimolazione cardiaca secondo le necessità, richiedendo solo un intervento endoscopico per l’inserimento piuttosto che l’apertura della cavità toracica.

Conclusioni e prospettive future

Nella sua forma attuale, questo pacemaker sottile è progettato per essere temporaneo, dissolvendosi in un composto non tossico chiamato acido silicico, che nega la necessità di un altro ciclo di chirurgia per la sua rimozione. Il team di ricerca suppone che le versioni future potrebbero essere adattate per durare diversi intervalli di tempo. Inoltre, i ricercatori sostengono che il dispositivo potrebbe essere utilizzato per la stimolazione di determinati nervi su richiesta, in modelli specifici. Secondo alcuni potrebbe avere anche future implicazioni per il trattamento della sintomatologia di condizioni come il Parkinson.