Ingenieros de la Universidad Northwestern, en Illinois, Estados Unidos, han desarrollado un marcapasos tan pequeño que puede implantarse en el organismo de forma no invasiva mediante una jeringa. Aunque sus creadores indican que puede funcionar en corazones de todos los tamaños, parece que este nuevo dispositivo es especialmente adecuado para recién nacidos (RN) con defectos cardíacos congénitos, con corazones pequeños y frágiles.
Más pequeño que un grano de arroz, lo que le convierte en el actual marcapasos de menor tamaño del mundo, se acopla a un pequeño dispositivo portátil, suave, flexible e inalámbrico que se coloca sobre el pecho del paciente para controlar la estimulación. Cuando el dispositivo portátil detecta un latido irregular, emite automáticamente un pulso de luz para activar el marcapasos, por lo que se activa con luz. Estos pulsos cortos, que penetran la piel, el esternón y los músculos del paciente, controlan la estimulación.
Diseñado para pacientes que solo necesitan un dispositivo temporal, el marcapasos se disuelve fácilmente al dejar de ser necesario. Todos sus componentes son biocompatibles, por lo que se disuelven de forma natural en los biofluidos corporales, evitando así la extracción quirúrgica, según explican los investigadores en Nature.
En el trabajo también se demuestra la eficacia del dispositivo en una serie de modelos animales grandes y pequeños, así como en corazones humanos de donantes fallecidos. Este desarrollo sigue la línea de los últimos años en conseguir dispositivos de menor tamaño que permitan implantaciones menos invasivas, lo que favorece a los pacientes, sobre todo a los pediátricos.
John A. Rogers, pionero en Bioelectrónica de Northwestern y director del desarrollo del dispositivo, señala que "hasta donde sabemos, es el marcapasos más pequeño del mundo. Existe una necesidad crucial de marcapasos temporales en el contexto de las cirugías cardíacas pediátricas. Este es un ejemplo de uso donde la miniaturización del tamaño es fundamental. En cuanto a la carga del dispositivo sobre el organismo, cuanto más pequeño, mejor".
Aunque el marcapasos es de un tamaño muy reducido (mide apenas 1,8 milímetros de ancho, 3,5 milímetros de largo y 1 milímetro de grosor), proporciona tanta estimulación como un marcapasos de tamaño completo.
Según Igor Efimov, cardiólogo experimental de Northwestern y codirector del trabajo, los niños han sido la principal motivación del desarrollo de este nuevo dispositivo, teniendo en cuenta de que alrededor de un 1% de los niños nacen en el mundo con cardiopatías congénitas, independientemente de si viven en países con o sin recursos.
"La buena noticia es que estos niños solo necesitan un marcapasos temporal después de una cirugía. En aproximadamente siete días, el corazón de la mayoría de los pacientes se autorreparará. Pero, esos siete días son cruciales. Ahora podemos colocar este diminuto marcapasos en el corazón de un niño y estimularlo con un dispositivo suave, delicado y portátil. Y no se requiere cirugía adicional para extraerlo", señala este profesional con respecto a este nuevo dispositivo en cuyo desarrollo también han participado Yonggang Huang, profesor de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Civil y Ambiental, Marcia Achenbach, así como Wei Ouyang, profesor de Ingeniería en Dartmouth College; y Rishi Arora, profesor de Medicina en la Universidad de Chicago.
Satisfacer una necesidad clínica insatisfecha
Este trabajo culmina una colaboración previa entre Rogers y Efimov, en la que desarrollaron el primer dispositivo reabsorbible para marcapasos temporal. Muchos pacientes necesitan marcapasos temporales después de una cirugía cardíaca, ya sea mientras esperan un marcapasos permanente o para ayudar a restablecer una frecuencia cardíaca normal durante la recuperación.
Actualmente, los cirujanos cosen los electrodos al músculo cardíaco durante la intervención. Los cables de los electrodos salen por la parte frontal del tórax del paciente, donde se conectan a un marcapasos externo que suministra una corriente para controlar el ritmo cardíaco. Cuando el marcapasos temporal ya no es necesario, los médicos retiran sus electrodos. Las posibles complicaciones incluyen infección, desprendimiento, desgarro o daño tisular, sangrado y coágulos sanguíneos.
Efimov explica que "los cables sobresalen del cuerpo, conectados a un marcapasos externo. Cuando el marcapasos ya no es necesario, el médico lo extrae. Los cables pueden quedar envueltos en tejido cicatricial. Por lo tanto, al extraerlos, pueden dañar el músculo cardíaco. Así fue como murió el astronauta estadounidense Neil Armstrong. Portaba un marcapasos temporal después de una cirugía de 'bypass'. Cuando le extrajeron los cables, sufrió una hemorragia interna", recuerda el investigador.
En respuesta a esta necesidad clínica, estos equipos desarrollaron un marcapasos disoluble, presentado en Nature Biotechnology en 2021. Un dispositivo, delgado, flexible y ligero que eliminó la necesidad de baterías voluminosas y hardware rígido, incluyendo cables. El laboratorio de Rogers fue el inventor del concepto de medicina electrónica biorreabsorbible: dispositivos electrónicos que brindan un beneficio terapéutico al paciente y luego se disuelven en el cuerpo sin causar daño, como suturas absorbibles. Al variar la composición y el grosor de los materiales de estos dispositivos, el equipo puede controlar con precisión el número de días que permanecen funcionales antes de disolverse.
Pasos hacia dispositivos miniaturizados
"Nuestro marcapasos original funcionó bien", señala Rogers. "Era delgado, flexible y totalmente reabsorbible. Pero el tamaño de su antena receptora limitó nuestra capacidad para miniaturizarlo. En lugar de usar el esquema de radiofrecuencia para el control inalámbrico, desarrollamos un esquema basado en luz para encender el marcapasos y administrar pulsos de estimulación a la superficie del corazón. Esta característica nos permitió reducir drásticamente su tamaño".
Para reducir aún más el tamaño del dispositivo, los investigadores también reimaginaron su fuente de alimentación. En lugar de utilizar comunicación de campo cercano (NFC) para suministrar energía, el nuevo y diminuto marcapasos funciona mediante una celda galvánica, un tipo de batería simple que transforma la energía química en energía eléctrica. Específicamente, el marcapasos utiliza dos metales diferentes como electrodos para enviar pulsos eléctricos al corazón. Al entrar en contacto con los biofluidos circundantes, los electrodos forman una batería. Las reacciones químicas resultantes hacen que la corriente eléctrica fluya para estimular el corazón.
Integración con otros implantables
El equipo ha utilizado una longitud de onda de luz infrarroja que penetra profundamente y de forma segura en el cuerpo. Si la frecuencia cardíaca del paciente desciende por debajo de cierto nivel, el dispositivo portátil detecta el evento y activa automáticamente un diodo emisor de luz. La luz parpadea a una frecuencia similar a la frecuencia cardíaca normal.
Efimov explica que "el corazón requiere una mínima estimulación eléctrica. Al minimizar el tamaño, simplificamos drásticamente los procedimientos de implantación, reducimos el trauma y el riesgo para el paciente y, gracias a la naturaleza disoluble del dispositivo, eliminamos la necesidad de realizar extracciones quirúrgicas secundarias".
También sería posible, según el artículo, colocar varios de estos pequeños marcapasos en la parte externa del corazón, logrando una mejor atención funcional sincronizada. "Podríamos además incorporar nuestros marcapasos a otros dispositivos médicos, como los reemplazos de válvulas cardíacas, que pueden causar un bloqueo cardíaco", según los autores.
Rogers hace hincapié en que gracias a su pequeño tamaño, este marcapasos puede integrarse con prácticamente cualquier tipo de dispositivo implantable. Los datos del estudio demuestran la integración de conjuntos de estos dispositivos en las estructuras que sirven como reemplazos transcatéter de válvulas aórticas.
La versatilidad de la tecnología abre una amplia gama de otras posibilidades de uso en medicinas bioelectrónicas, incluyendo ayudar a reparar nervios y huesos, tratar heridas y bloquear el dolor.
En España, y según Julián Pérez-Villacastín, jefe del Servicio de Cardiología del Hospital Clínico San Carlos de Madrid y expresidente de la Sociedad Española de Cardiología (SEC), se implantan cada año más de 40.000 marcapasos. "Estos dispositivos se utilizan para que el latido cardíaco no se detenga en personas que tienen alteraciones en la instalación eléctrica de su corazón", señala a SMC.
Su tamaño se ha ido reduciendo progresivamente e incluso existen marcapasos actuales que "no necesitan cables y se implantan directamente dentro del corazón. Pero todos conllevan riesgos y todavía tienen que ser reemplazados cuando caduca su batería".
Este trabajo presenta, según el cardiólogo, un prototipo excepcional. Primero, porque "es una miniatura, la cual podrá ser transportada utilizando catéteres, hasta ser implantada en las paredes del corazón. Además, porque la forma en la que se generan los impulsos eléctricos es absolutamente original. Esto abre la posibilidad de poder implantar varios dispositivos que estimulen el corazón de forma simultánea, aumentando la eficiencia de la contracción".
Aunque lo considera espectacular, insiste en que no hay que olvidar que "se trata de un prototipo experimental. La idea es brillante, pero tendrán que pasar años para que esta tecnología pueda llegar a implantarse en seres humanos con las suficientes garantías". Detalla que el prototipo que se presenta "solo posibilita una estimulación transitoria, la cual podría ser útil para pacientes que requieran marcapasos solo durante un tiempo muy reducido. Esto no es la norma, porque la norma es que las personas que necesitan un marcapasos lo necesiten de por vida. Sin embargo, no resta importancia a este tipo de desarrollos que marcan lo fascinante que va a resultar la medicina de un futuro muy cercano".