研究人员打造一种用光驱动的心脏起搏器

TIAN LAB, UNIVERSITY OF CHICAGO

近日，芝加哥大学的11名研究人员报告称，他们已经在活体动物身上安装并测试了采用光能驱动的起搏器，其研究成果发表在《自然》杂志（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07016-9）上，该论文仅声称“这是第一次对活体猪心脏进行微创光学刺激”。

他们似乎取得了更多的成就。

该团队开创性地设计、制造和测试了一种新型无线超薄心脏起搏器。他们的技术方法也可以改变需要刺激神经、肌肉或心脏的治疗方法。

芝加哥研究小组评估了光伏材料，并开发了用于培养的心脏细胞、啮齿动物心脏、小鼠和大鼠体内实验的设备，以及一只成年猪。他们最终开发的植入猪体内的设备是一种柔性的两厘米见方的光伏膜，通过微创手术植入。

研究生Pengju Li说，他从芝加哥的两个实验室——Bozhi Tian的生物和电子材料小组和Narutoshi Hibino的转化心血管研究小组——召集了多学科研究团队。

在最后的实验中，芝加哥外科团队在《自然》杂志的论文中报道称，他们将4平方厘米的薄膜穿过动物肋骨之间皮肤上1厘米的缝隙。薄膜很薄：半导体层只有4微米厚，稳定在21µm的聚合物基质上。这种薄膜也很轻——大约0.05克。传统的起搏器，即使是新的无引线设计（它们“没有导线”，而不是“没有元件82”），重量也是100到1000倍。

因此，起搏器自行粘附在右心室上。实验室负责人Bozhi Tian说，这种自然粘附足以在急性治疗中短期应用。

研究人员使用内窥镜和插入同一厘米缝隙的光纤，用一系列1毫秒的激光脉冲照亮起搏器上的一个选定点。（在早期的实验中，他们使用窄至10µm的激光束来定位刺激。）

起搏器超过了心脏的正常节律，将其从每分钟71次加速到约120次。他们还报告说，通过将光束从一个目标移动到另一个目标，他们实现了多部位激活——刺激右心室和左心室的肌肉，产生心脏再同步治疗（CRT）中使心律失常心脏恢复正常跳动所需的收缩模式。

Tian说，该团队的第一个临床目标将是为有心脏性猝死风险的患者提供临时CRT。在这些情况下，CRT需要几天到几个月的短暂植入。Tian说：“CRT肯定需要精确的多部位起搏，我们的目标是首先将其应用于临床应用。”

无引线和微创

传统的起搏器导线通常穿过主静脉（https://emedicine.medscape.com/article/1839735-technique），进入其中一个心室，电极在那里接触心壁。起搏器的电子设备和电池被塞在上胸部皮肤下的一个口袋里，并连接在心脏外的导线末端。

然而，导线有时会阻塞静脉（https://www.bidmc.org/about-bidmc/news/2023/05/study-finds-common-complication-of-pacemakers-four-times-higher-than-previously-thought），干扰心脏瓣膜，或刺激心脏内的组织，有时会造成严重甚至致命的后果。

自20世纪70年代以来，无导线起搏器就开始出现，并于2014年进入市场和诊所（https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-med-051022-042616?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org&rfr_dat=cr_pub++0pubmed）。这些是小型、独立的封装，结合了超长寿命电池和起搏电子设备。这些小圆柱体只有几克重，长3到4厘米，大小和形状介于AAA电池和大型维生素胶囊之间。像传统的起搏器一样，它们被插入心脏，穿过主静脉进入心室。

据悉，芝加哥团队开发的原型确实需要在皮肤上有1厘米的切口，在心包（心脏周围的囊）上有2厘米的窗口，以设置起搏器并允许光纤束传输激光。在原型中，激光器是由外部供电的。该团队表示，在开发过程中，这些都是需要解决的挑战。

Li和Tian还表示，他们开发了微创植入方法，以减轻受试者的压力，促进康复。Tian说：“也许，对我来说最有成就感的是微创手术工具的初步设计。他说，看到整形外科医生插入聚合物植入物修复撕裂的肌腱套，他受到了启发。

起搏器的心脏

为了制造他们的起搏器，芝加哥团队需要具有特定特性的材料。它必须产生足够的电流来刺激心脏，并且电流必须在时间和空间上高度局部化。Li，Tian和他们的同事说，为了选择最佳材料，他们转向了太阳能电池，测试了一系列替代品，包括非晶硅和单晶硅。研究人员表示，他们使用的半导体——纳米多孔单晶硅类型——在时间和空间上都产生了严格约束的电流。Tian说，从那时起，“Pengju已经显著地扩展了这个系统，包括通过其他合成方法产生的多孔/纳米多孔硅异质结。”

Tian说，到目前为止，“制造过程非常容易。具体来说，产生纳米多孔结构的蚀刻过程在溶液中只需要大约一分钟或更短的时间。我相信这使得可扩展和低成本的制造变得可行。”

芝加哥西北大学生物医学工程教授Igor Efimov，在《自然》杂志论文的一篇评论中写道（https://www.nature.com/articles/d41586-024-00303-5），这项开发提供了“令人兴奋的概念证明，显示了这项技术的巨大潜力，并表明光电设备最终可以改变一系列疗法，包括需要神经、肌肉和心脏刺激的疗法。”