无需电池的光动力起搏器

起搏器是一种救生设备，可以调节患有心房颤动和其他形式心律失常等慢性心脏病患者的心跳。然而，起搏器植入是一种侵入性手术，设备提供的挽救生命的起搏可能会非常痛苦。此外，起搏器只能用于治疗少数特定类型的疾病。

在 周三发表在《 科学进展》杂志上的一篇论文中，亚利桑那大学领导的研究小组详细介绍了他们设计的无线、无电池起搏器的工作原理，这种起搏器可以通过比目前可能的侵入性更小的手术植入，并减轻患者的疼痛。该研究由 Gutruf 实验室的研究人员领导，由 生物医学工程 助理教授和 Craig M. Berge 学院研究员 Philipp Gutruf 领导。

目前可用的起搏器通过用钩子或螺钉将一根或两根导线或接触点植入心脏来工作。如果这些导线上的传感器检测到危险的异常情况，它们会通过心脏发送电击以重置心跳。

“心脏内的所有细胞都会同时受到打击，包括疼痛感受器，这就是使起搏或除颤感到痛苦的原因，”Gutruf 说。“它会影响整个心肌。”

Gutruf 团队开发的设备尚未在人体中进行测试，它将允许心脏起搏器使用一种新的数字制造网状设计来发送更多有针对性的信号，该网状设计包含整个心脏。该设备使用光和一种称为光遗传学的技术。

光遗传学修饰对光敏感的细胞，通常是神经元，然后利用光来影响这些细胞的行为。该技术仅针对心肌细胞，即触发收缩并构成心脏跳动的肌肉细胞。这种精确度不仅可以通过绕过心脏的疼痛感受器来减轻起搏器患者的疼痛，还可以让起搏器以更适当的方式对不同类型的不规则行为做出反应。例如，在心房颤动期间，心脏的上下腔室不同步跳动，起搏器的作用是使这两个部分重新对齐。

西北大学生物医学工程和医学教授 Igor Efimov 说：“而现在，我们必须震撼整个心脏才能做到这一点，而这些新设备可以进行更精确的定位，使除颤更有效，痛苦更少，”设备进行实验室测试的地方。“这项技术可以让全世界患者的生活更轻松，同时也帮助科学家和医生更多地了解如何监测和治疗这种疾病。”

柔韧的网眼包裹着心脏

为了确保光信号可以到达心脏的许多不同部位，该团队创建了一种包含器官的设计，而不是植入提供有限接触点的导线。

新的起搏器模型由四个花瓣状结构组成，由薄而柔韧的薄膜制成，其中包含光源和记录电极。花瓣，专门设计用于适应心脏在跳动时改变形状的方式，折叠在器官的两侧以包裹它，就像一朵在晚上关闭的花朵。

“目前的起搏器记录的基本上是一个简单的阈值，它们会告诉你，'这将进入心律失常，现在休克!'”Gutruf 说。“但这个设备有一台电脑，你可以在其中输入不同的算法，让你以更复杂的方式步调。它是为研究而制作的。”

由于该系统使用光而不是电信号来影响心脏，因此即使在起搏器需要除颤时，该设备也可以继续记录信息。在目前的起搏器中，来自除颤的电信号会干扰记录能力，使医生无法完整地了解心脏事件。此外，该设备不需要电池，这可以使起搏器患者无需按照目前的标准每五到七年更换一次设备中的电池。

Gutruf 的团队与西北大学的研究人员就该项目进行了合作。虽然该设备的当前版本已在动物模型中成功展示，但研究人员期待进一步开展工作，这可以改善数百万人的生活质量。