MIT engineers have created a noninvasive ultrasound pacemaker that stimulates the heart without surgery, using a wearable sticker to regulate heartbeats by enhancing cell sensitivity through genetic engineering.
Ingenieros del MIT han desarrollado un marcapasos no invasivo que utiliza ultrasonido para estimular el corazón, ofreciendo una alternativa sin cirugía a los implantes cardíacos tradicionales.
El nuevo dispositivo se presenta como un pequeño adhesivo que se coloca en el pecho. Este contiene diminutos transductores que envían pulsos ultrasónicos a través del tórax, estimulando así el corazón. Las ondas ultrasónicas provocan la apertura de ciertos canales iónicos en las células cardíacas, un efecto que los investigadores han amplificado mediante ingeniería genética. Cuando estos canales se abren, permiten la entrada de calcio, lo que indica a una célula del corazón que debe contraerse y latir.
En pruebas de laboratorio, los investigadores aplicaron ondas ultrasónicas a células cardíacas humanas modificadas genéticamente y observaron que los pulsos mantenían efectivamente las contracciones saludables de las células. Asimismo, al probar el adhesivo ultrasónico en ratas, encontraron que el dispositivo corregía rápidamente y sin invasión las arritmias, restaurando contracciones cardíacas normales y regulares.
El equipo ha fabricado un prototipo que incluye el adhesivo ultrasónico (aproximadamente del tamaño de un sello postal) y un pequeño dispositivo portátil con baterías y electrónica asociada. Anteriormente, este mismo grupo demostró un diseño de adhesivo capaz de imagingar órganos y tejidos profundos mediante ultrasonido. Ahora planean combinar ambos enfoques en un solo adhesivo para monitorear y regular simultáneamente la actividad cardíaca.
"Creemos que algún día podríamos tener adhesivos en el cuerpo capaces de realizar imágenes profundas y también estimular terapéuticamente, todo de manera no invasiva", afirma Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y civil en el MIT.
Zhao y su equipo, junto con colaboradores del grupo del profesor Qifa Zhou en la Universidad del Sur de California (USC), han publicado sus resultados en un estudio reciente en la revista Nature Biomedical Engineering. Los coautores del MIT incluyen al primer autor Chen Gong, junto con Runze Li, Won Jun Song y otros exinvestigadores postdoctorales.
Aproximadamente 3 millones de adultos en Estados Unidos dependen actualmente de marcapasos implantables. Estos dispositivos pequeños son colocados quirúrgicamente en el pecho para entregar impulsos eléctricos que regulan la frecuencia cardíaca. Aunque son tratamientos médicos bien establecidos y generalmente seguros, presentan riesgos asociados a su invasividad.
"Los marcapasos son uno de los implantes humanos más importantes y utilizados; han salvado millones de vidas", comenta Gengxi Lu, coautor principal del estudio. "Sin embargo, son invasivos y hacen contacto directo con el corazón palpitante. La aspiración durante años ha sido lograr una estimulación cardíaca no invasiva mediante ultrasonido".
El ultrasonido es una tecnología segura que penetra en el cuerpo mediante ondas acústicas. Estas ondas pueden ser dirigidas para estimular efectos terapéuticos específicos; por ejemplo, se están investigando tratamientos para enfermedades neurológicas como Parkinson o Alzheimer utilizando esta técnica. En cuanto al corazón, estudios previos han mostrado que el ultrasonido enfocado puede activar células cardíacas, aunque con efectos inconsistentes.
Zhao y su equipo buscaron amplificar los efectos del ultrasonido sobre el corazón mediante una técnica conocida como sonogenética. Esta metodología busca modificar genéticamente células para responder a sonidos específicos. En su investigación actual, aumentaron la sensibilidad de las células cardíacas al ultrasonido mediante alteraciones genéticas que permitieron abrir más fácilmente los canales iónicos en respuesta a estas ondas.
En experimentos con células cardíacas modificadas genéticamente, los investigadores observaron que estas latían al ritmo de las ondas ultrasónicas cuando eran expuestas a ellas. Para una aplicación clínica futura del marcapasos ultrasónico, imaginan que un paciente podría recibir una inyección única similar a una vacuna para aumentar la sensibilidad celular al ultrasonido del marcapasos; este sería un tipo de terapia génica aprobada por la FDA para tratar condiciones hereditarias.
"Creemos que este paso podría traducirse clínicamente como una forma viable para habilitar marcapasos no invasivos", señala Gong. El núcleo del marcapasos ultrasónico fue diseñado como un adhesivo pequeño con transductores integrados capaces de generar ondas ultrasónicas específicas. Este material hidrogel permite adherirse fuertemente a la piel mientras transmite eficazmente las ondas sin debilitarlas.
En pruebas realizadas con ratas, administraron primero una solución potenciadora por vía intravenosa antes de colocarles el marcapasos miniaturizado sobre el pecho. Al activar los adhesivos observó cómo regulaban rápidamente sus corazones: algunos animales con ritmos lentos alcanzaron frecuencias normales mientras otros con latidos irregulares fueron estabilizados al compás del “tic-tac” ultrasónico.
"Ahora podemos usar ultrasonido de baja intensidad para abrir canales iónicos en las células y lograr un ritmo eficaz", concluye Gong. "Estamos trabajando para hacer estos adhesivos más compactos e integrados para facilitar su uso a largo plazo". Zhao añade: "Demostramos aquí la posibilidad de crear marcapasos no invasivos; creemos que esta idea podría extenderse más allá del corazón hacia otras partes del cuerpo para realizar imágenes prolongadas y estimulación terapéutica continua".
Este trabajo recibió apoyo parcial por parte de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), el Departamento de Oftalmología bajo Investigación para Prevenir la Ceguera y el Departamento de Guerra estadounidense.
El marcapasos utiliza un pequeño sticker que se adhiere al pecho y contiene transductores que envían pulsos de ultrasonido a través del pecho para estimular el corazón. Estos pulsos abren canales iónicos en las células cardíacas, permitiendo la entrada de calcio, lo que provoca que las células se contraigan y late el corazón.
A diferencia de los marcapasos tradicionales, que requieren cirugía para ser implantados, este nuevo diseño ofrece una alternativa sin cirugía. Esto reduce los riesgos asociados con procedimientos quirúrgicos y permite un tratamiento más cómodo y accesible para los pacientes.
La sonogenética es un enfoque que implica la manipulación genética de células para que respondan a estímulos acústicos, como el ultrasonido. En este caso, se utiliza para aumentar la sensibilidad de las células cardíacas al ultrasonido, mejorando su capacidad para responder a los pulsos emitidos por el marcapasos.
Los investigadores creen que esta tecnología podría extenderse más allá del tratamiento cardíaco, permitiendo el monitoreo y estimulación terapéutica en otras partes del cuerpo mediante stickers similares que podrían realizar imágenes profundas y regular actividades fisiológicas de manera no invasiva.