Репортаж от Wedoany，Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали неинвазивный кардиостимулятор, стимулирующий сердце с помощью ультразвука. Устройство выполнено в виде небольшого пластыря, который можно носить на груди, и в будущем может стать альтернативой традиционным сердечным имплантатам без необходимости хирургического вмешательства.
Основой устройства является пластырь размером с почтовую марку, на котором расположены микроскопические преобразователи, посылающие ультразвуковые импульсы через грудную клетку для стимуляции сердца. Ультразвук активирует открытие определённых ионных каналов в сердечных клетках, и исследователи усилили этот эффект с помощью генной инженерии. Когда каналы открываются, ионы кальция поступают в клетки, что заставляет сердечные клетки сокращаться и биться. В лабораторных экспериментах исследователи воздействовали ультразвуком на генетически модифицированные клетки человеческого сердца и обнаружили, что импульсы эффективно поддерживают здоровое сокращение клеток. Команда также протестировала ультразвуковой пластырь на крысах, и результаты показали, что устройство быстро, безопасно и неинвазивно корректирует аритмию, восстанавливая нормальный сердечный ритм.
Исследовательская группа создала прототип, включающий ультразвуковой пластырь и небольшое карманное устройство с батареей и электроникой. Ранее эта же группа демонстрировала конструкцию пластыря для визуализации глубоких органов и тканей с помощью ультразвука, и теперь они планируют объединить оба метода в одном пластыре для одновременного мониторинга и регулирования сердечной деятельности.
«Мы считаем, что в будущем можно будет наклеивать пластырь на тело для долгосрочной визуализации глубоких тканей и обеспечения терапевтической стимуляции в неинвазивном замкнутом контуре», — заявил Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao), профессор машиностроения, а также гражданского и экологического строительства MIT. Вместе с коллегами из команды профессора Цифэна Чжоу (Qifa Zhou) из Университета Южной Калифорнии (USC) он опубликовал результаты исследования в международном журнале Nature Biomedical Engineering. Соавторами работы от MIT стали первый автор Чэнь Гун (Chen Gong), а также Жунцзы Ли (Runze Li), Вон Джун Сон (Won Jun Song), бывший постдок Гэнси Лу (Gengxi Lu), Шуцун Ли (Shucong Li), Сяочуань Лю (Hsiao-Chuan Liu) и другие, а также исследователи из Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и других групп USC.
В настоящее время около 3 миллионов взрослых в США используют кардиостимуляторы. Эти имплантируемые устройства надёжны и обычно безопасны, но всё же сопряжены с хирургическими рисками. «Кардиостимуляторы — одни из самых важных и широко используемых имплантатов в организме человека, они спасли миллионы жизней», — сказал соавтор-корреспондент статьи Гэнси Лу. «Но они инвазивны и находятся в прямом контакте с бьющимся сердцем. Мечтой многих лет была неинвазивная стимуляция сердца с помощью ультразвука». Ранее учёные уже обнаруживали влияние ультразвука на сердце, но эффект был непоследовательным и слабым. В своём исследовании команда Чжао применила метод соногенетики (sonogenetics) — по аналогии с оптогенетикой (optogenetics), которая использует генетическое манипулирование определёнными частями клеток для реакции на свет, соногенетика направлена на то, чтобы с помощью генной инженерии заставить клетки реагировать на звук, включая ультразвук. При разработке кардиостимулятора команда повысила чувствительность сердечных клеток к ультразвуку с помощью соногенетики: они использовали стандартные методы для дифференцировки сердечных клеток из эмбриональных стволовых клеток, а затем генетически модифицировали их, чтобы они производили ионные каналы, которые легче открываются под воздействием ультразвука.
В экспериментах генетически модифицированные сердечные клетки начинали биться в такт ультразвуку при его воздействии, тогда как немодифицированные клетки не реагировали. Команда предполагает, что в будущем для клинического применения пациенты могут сначала получить одноразовую инъекцию генной терапии (наподобие вакцины), чтобы повысить чувствительность сердечных клеток к ультразвуку. Затем команда разработала ультразвуковой кардиостимулятор в виде пластыря размером с почтовую марку. Его клейкий слой изготовлен из гидрогелевого материала, который прочно прилипает к коже и позволяет ультразвуку проходить без ослабления. В пластырь встроены миниатюрные ультразвуковые преобразователи, настраиваемые на определённую частоту. В экспериментах на крысах исследователи сначала вводили раствор для усиления соногенетического ультразвука через хвостовую вену, а затем прикрепляли миниатюрный пластырь-кардиостимулятор к груди животного. После включения пластыря ультразвук быстро регулировал сердцебиение животных: у особей с замедленным сердечным ритмом частота восстанавливалась до нормальной, у особей с аритмией ритм стабилизировался и синхронизировался с ультразвуковыми импульсами.
«Теперь мы можем использовать низкоинтенсивный ультразвук для открытия ионных каналов в клетках, что обеспечивает очень эффективную стимуляцию сердца», — сказал первый автор Чэнь Гун. «Мы работаем над тем, чтобы сделать эти пластыри меньше и более интегрированными, чтобы их было легче носить, они были более стабильными и точными в долгосрочной перспективе». Профессор Чжао добавил: «В этой статье мы продемонстрировали неинвазивную стимуляцию сердца. Но мы считаем, что эта концепция не ограничивается только сердцем. Мы верим, что в будущем можно будет наклеивать пластыри на разные части тела для долгосрочной визуализации, мониторинга и замкнутой терапевтической стимуляции».
Эта работа частично финансировалась Национальными институтами здравоохранения США, Национальным научным фондом, Отделом офтальмологических исследований по предотвращению слепоты и Военным министерством США.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
