Onderzoek toont voor het eerst aan dat een innovatieve zelfaangedreven pacemaker met succes is getest bij varkens
Onze hart- handhaaft een tempo door zijn interne pacemaker genaamd sinoatriale knoop (SA-knoop), ook wel sinusknoop genoemd in de kamer rechtsboven. Deze interne pacemaker geeft in een minuut 60-100 keer elektrische lading af en deze energie voert samentrekkingen uit in de hartspieren waardoor ons hart bloed door ons lichaam kan pompen. Naarmate we ouder worden of ziek worden, kan deze interne pacemaker het hart niet goed laten kloppen. Onregelmatig hartslag wordt ook veroorzaakt door een aandoening die aritmie wordt genoemd en die de normale hartslag van het hart vertraagt. Om dit verlies te vervangen, kan een traditionele pacemaker - een op batterijen werkend elektronisch apparaat - chirurgisch in een patiënt worden geïmplanteerd om de hartslag te regulariseren en het hart gestaag te laten kloppen.
Een traditionele pacemaker
Het apparaat bestaat uit een op batterijen werkende pulsgenerator die onder de huid bij het sleutelbeen wordt geïmplanteerd. Het heeft ook geïsoleerde draden die het apparaat met het hart verbinden. Het elektronische circuit genereert elektrische signalen die via elektroden aan het hart worden afgegeven. De pacemaker is een levensreddend apparaat; een belangrijke beperking van de huidige pacemaker is echter dat ze tussen de 5 en 12 jaar na plaatsing op elk moment moeten worden vervangen vanwege de beperkte levensduur van de batterij. De implantatie kan alleen worden gedaan via een invasieve operatie waarbij lokale anesthesie wordt gebruikt, wat op zichzelf een uitdaging is omdat de borstholte van een patiënt moet worden geopend. Chirurgie is niet alleen duur, maar verhoogt ook het risico van de patiënt op complicaties, infecties of zelfs bloedingen. Er is een ander type kleine pacemaker ontworpen die via een katheter kan worden geïmplanteerd, zonder operatie, maar het wordt nog steeds getest.
Onderzoekers hebben zich gericht op het bouwen pacemakers die als alternatief natuurlijke energie van iemands eigen hartslag zou kunnen gebruiken in plaats van batterij. Theoretisch zou een dergelijke pacemaker niet vervangen hoeven te worden als deze eenmaal in een patiënt is geïmplanteerd. Door plutonium aangedreven pacemakers zijn vele decennia eerder vervaardigd. Het experimentele ontwerp van nieuwe pacemakers heeft tot nu toe te maken gehad met verschillende beperkingen, zoals een starre ontwerpstructuur die de kracht ervan beperkt en complicaties bij miniaturisatie.
Een innovatieve batterijloze pacemaker met een uniek design
In een nieuwe studie gepubliceerd in ACS Nano onderzoekers van het National Key Laboratory for Science and Technology, Shanghai, China wilden een nieuw klein pacemaker-apparaat ontwerpen dat kan worden aangedreven door de energie van de eigen hartslag en ze hebben dit apparaat met succes getest bij varkens. Het nieuwe apparaat kan onder het hart worden weggestopt in plaats van in de buurt van het sleutelbeen, zoals bij conventionele pacemakers. De pacemaker is gebaseerd op een ideale symbiotische relatie tussen het hart en het apparaat.
Het ontwerp van deze nieuwe pacemaker is ontstaan door eerst een klein flexibel kunststof frame te maken. Dit frame was verlijmd met piëzo-elektrische lagen die bij het buigen energie opwekken. Dit onderdeel, genaamd energy 'harvester', werd op een chip geplaatst. Het apparaat werd bij varkens geïmplanteerd en er werd waargenomen dat de eigen hartslag van de dieren de vorm van het frame kon veranderen (buigen), waardoor er voldoende energie (vermogen) werd gegenereerd dat vergelijkbaar is met een pacemaker op batterijen. Dankzij het flexibele plastic frame van het apparaat kan het meer energie van het hart opvangen in vergelijking met traditionele pacemakers met een harde behuizing.
Omdat mensen een fysiologie hebben die erg lijkt op die van varkens, zou deze pacemaker ook goed kunnen werken bij mensen. Onderzoekers wijzen op enkele technische problemen die moeten worden aangepakt, het apparaat bestaat bijvoorbeeld uit drie afzonderlijke technologieën - energieoogster, pacemakerchip en draden - die in één apparaat moeten worden geïntegreerd. Verdere testen bij dieren en vervolgens bij mensen kunnen de stabiliteit van het apparaat op lange termijn bevestigen. Een dergelijk apparaat zal, indien succesvol, slechts één keer invasieve chirurgie vereisen, waardoor het risico op complicaties van de patiënt wordt verminderd. Een belangrijke beperking van dit nieuwe apparaat zou kunnen zijn dat artsen patiënten mogelijk niet op afstand kunnen controleren, zoals in het geval van op batterijen werkende pacemakers.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
NingL et al. 2019. Directe voeding van een echte cardiale pacemaker door Natural Energy of a Heartbeat. ACS Nano. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08567
