研究人員打造一種用光驅動的心臟起搏器

TIAN LAB, UNIVERSITY OF CHICAGO

近日，芝加哥大學的11名研究人員報告稱，他們已經在活體動物身上安裝并測試了采用光能驅動的起搏器，其研究成果發表在《自然》雜志上，該論文僅聲稱“這是第一次對活體豬心臟進行微創光學刺激”。

他們似乎取得了更多的成就。

該團隊開創性地設計、制造和測試了一種新型無線超薄心臟起搏器。他們的技術方法也可以改變需要刺激神經、肌肉或心臟的治療方法。

芝加哥研究小組評估了光伏材料，并開發了用于培養的心臟細胞、嚙齒動物心臟、小鼠和大鼠體內實驗的設備，以及一只成年豬。他們最終開發的植入豬體內的設備是一種柔性的兩厘米見方的光伏膜，通過微創手術植入。

研究生Pengju Li說，他從芝加哥的兩個實驗室——Bozhi Tian的生物和電子材料小組和Narutoshi Hibino的轉化心血管研究小組——召集了多學科研究團隊。

在最后的實驗中，芝加哥外科團隊在《自然》雜志的論文中報道稱，他們將4平方厘米的薄膜穿過動物肋骨之間皮膚上1厘米的縫隙。薄膜很薄：半導體層只有4微米厚，穩定在21μm的聚合物基質上。這種薄膜也很輕——大約0.05克。傳統的起搏器，即使是新的無引線設計（它們“沒有導線”，而不是“沒有元件82”），重量也是100到1000倍。

因此，起搏器自行粘附在右心室上。實驗室負責人Bozhi Tian說，這種自然粘附足以在急性治療中短期應用。

研究人員使用內窺鏡和插入同一厘米縫隙的光纖，用一系列1毫秒的激光脈沖照亮起搏器上的一個選定點。（在早期的實驗中，他們使用窄至10μm的激光束來定位刺激。）

起搏器超過了心臟的正常節律，將其從每分鐘71次加速到約120次。他們還報告說，通過將光束從一個目標移動到另一個目標，他們實現了多部位激活——刺激右心室和左心室的肌肉，產生心臟再同步治療（CRT）中使心律失常心臟恢復正常跳動所需的收縮模式。

Tian說，該團隊的第一個臨床目標將是為有心臟性猝死風險的患者提供臨時CRT。在這些情況下，CRT需要幾天到幾個月的短暫植入。Tian說：“CRT肯定需要精確的多部位起搏，我們的目標是首先將其應用于臨床應用。”

無引線和微創

傳統的起搏器導線通常穿過主靜脈，進入其中一個心室，電極在那里接觸心壁。起搏器的電子設備和電池被塞在上胸部皮膚下的一個口袋里，并連接在心臟外的導線末端。

然而，導線有時會阻塞靜脈，干擾心臟瓣膜，或刺激心臟內的組織，有時會造成嚴重甚至致命的后果。

自20世紀70年代以來，無導線起搏器就開始出現，并于2014年進入市場和診所。這些是小型、獨立的封裝，結合了超長壽命電池和起搏電子設備。這些小圓柱體只有幾克重，長3到4厘米，大小和形狀介于AAA電池和大型維生素膠囊之間。像傳統的起搏器一樣，它們被插入心臟，穿過主靜脈進入心室。

據悉，芝加哥團隊開發的原型確實需要在皮膚上有1厘米的切口，在心包（心臟周圍的囊）上有2厘米的窗口，以設置起搏器并允許光纖束傳輸激光。在原型中，激光器是由外部供電的。該團隊表示，在開發過程中，這些都是需要解決的挑戰。

Li和Tian還表示，他們開發了微創植入方法，以減輕受試者的壓力，促進康復。Tian說：“也許，對我來說最有成就感的是微創手術工具的初步設計。他說，看到整形外科醫生插入聚合物植入物修復撕裂的肌腱套，他受到了啟發。

起搏器的心臟

為了制造他們的起搏器，芝加哥團隊需要具有特定特性的材料。它必須產生足夠的電流來刺激心臟，并且電流必須在時間和空間上高度局部化。Li，Tian和他們的同事說，為了選擇最佳材料，他們轉向了太陽能電池，測試了一系列替代品，包括非晶硅和單晶硅。研究人員表示，他們使用的半導體——納米多孔單晶硅類型——在時間和空間上都產生了嚴格約束的電流。Tian說，從那時起，“Pengju已經顯著地擴展了這個系統，包括通過其他合成方法產生的多孔/納米多孔硅異質結。”

Tian說，到目前為止，“制造過程非常容易。具體來說，產生納米多孔結構的蝕刻過程在溶液中只需要大約一分鐘或更短的時間。我相信這使得可擴展和低成本的制造變得可行。”

芝加哥西北大學生物醫學工程教授Igor Efimov，在《自然》雜志論文的一篇評論中寫道，這項開發提供了“令人興奮的概念證明，顯示了這項技術的巨大潛力，并表明光電設備最終可以改變一系列療法，包括需要神經、肌肉和心臟刺激的療法。”