Βηματοδότης χωρίς μπαταρία λειτουργεί με τον ρυθμό της καρδιάς

Το 2023 πραγματοποιήθηκαν παγκοσμίως περισσότερες από 1,6 εκατομμύρια επεμβάσεις εμφύτευσης βηματοδότη — ένας αριθμός που δείχνει πόσο καθοριστική είναι αυτή η μικρή συσκευή για τη σύγχρονη καρδιολογία. Ο βηματοδότης τοποθετείται συνήθως στο στήθος ή, στις νεότερες εκδόσεις, απευθείας μέσα στην καρδιά, και έχει έναν ξεκάθαρο στόχο: να βοηθά την καρδιά να διατηρεί έναν ασφαλή, σταθερό ρυθμό όταν το φυσικό ηλεκτρικό της σύστημα δεν επαρκεί.

Παρ’ όλα αυτά, για πολλούς ασθενείς το μεγαλύτερο «αδύναμο σημείο» δεν είναι η ίδια η τεχνολογία βηματοδότησης, αλλά η μπαταρία. Συχνά, μέσα σε πέντε έως δέκα χρόνια, η συσκευή χρειάζεται αντικατάσταση όχι επειδή χάλασε, αλλά επειδή η μπαταρία της εξαντλήθηκε.

Αυτό ακριβώς το πρόβλημα επιχειρεί να λύσει μια νέα, εντυπωσιακή προσέγγιση: ένας βηματοδότης χωρίς μπαταρία, που αντλεί ενέργεια απευθείας από την κίνηση της καρδιάς. Σε κρίσιμη πειραματική δοκιμή, η ενέργεια που «συγκομίστηκε» από τους παλμούς της καρδιάς χρησιμοποιήθηκε για να αυξήσει, κατόπιν εντολής, τον καρδιακό ρυθμό ενός ζωντανού ζώου.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο «Science Advances» και περιγράφει έναν πλήρως ενσωματωμένο, χωρίς ηλεκτρόδια (leadless) βηματοδότη, ο οποίος δημιουργεί τη δική του ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας τριβοηλεκτρικής νανογεννήτριας (TENG).

Βηματοδότης χωρίς μπαταρία: γιατί έχει σημασία για τους ασθενείς

Οι σύγχρονοι βηματοδότες χωρίς ηλεκτρόδια αποτελούν ήδη σημαντική εξέλιξη, επειδή μειώνουν τις επιπλοκές που σχετίζονται με τα καλώδια (ηλεκτρόδια). Ωστόσο, ακόμη και αυτοί οι μικροί, εξελιγμένοι βηματοδότες βασίζονται σε μπαταρίες που αντιστοιχούν περίπου στο μισό του συνολικού όγκου και σχεδόν στο 60% του βάρους της συσκευής. Όταν η μπαταρία εξαντληθεί, ο ασθενής χρειάζεται νέα επέμβαση: είτε για αντικατάσταση είτε για τοποθέτηση νέας συσκευής.

Για έναν νεότερο άνθρωπο που ενδέχεται να χρειάζεται βηματοδότηση για δεκαετίες, αυτό μεταφράζεται σε πολλαπλές επεμβάσεις στη διάρκεια της ζωής του. Κάθε επέμβαση, όσο ρουτίνα κι αν θεωρείται, έχει κόστος: νοσηλεία, πιθανές επιπλοκές, ψυχολογική επιβάρυνση και χρόνο αποκατάστασης.

Ένας βηματοδότης χωρίς μπαταρία, που λειτουργεί αυτόνομα αξιοποιώντας την ίδια την κίνηση της καρδιάς, θα μπορούσε να μειώσει δραστικά —ή και να εξαλείψει— την ανάγκη μελλοντικών αντικαταστάσεων λόγω μπαταρίας.

Πώς παράγεται ενέργεια από τους παλμούς της καρδιάς

Η τεχνολογία που περιγράφεται στη μελέτη βασίζεται σε μια τριβοηλεκτρική νανογεννήτρια (TENG). Με απλά λόγια, η TENG μετατρέπει μικροσκοπικές κινήσεις συμπίεσης και απελευθέρωσης μεταξύ υλικών σε ηλεκτρικό φορτίο. Η βασική αρχή θυμίζει τον στατικό ηλεκτρισμό που δημιουργείται όταν τρίβουμε ένα μπαλόνι στα μαλλιά μας — μόνο που εδώ συμβαίνει σε μικροσκοπική κλίμακα και ενεργοποιείται αδιάκοπα, χιλιάδες φορές την ημέρα, με κάθε καρδιακό παλμό.

Αντί για μία μπαταρία, ο νέος σχεδιασμός χρησιμοποιεί δύο μικρές μονάδες συλλογής ενέργειας, τοποθετημένες η μία πάνω στην άλλη μέσα σε ένα περίβλημα τιτανίου. Οι μονάδες αποτελούνται από εύκαμπτες, στρωματοποιημένες πλάκες. Όταν πιέζονται μεταξύ τους και έπειτα απομακρύνονται, παράγουν φορτίο. Καθώς η καρδιά συστέλλεται και χαλαρώνει, τα εσωτερικά εξαρτήματα κινούνται μπρος-πίσω σαν ένα εξαιρετικά μικρό σύστημα με ελατήριο. Κάθε παλμός πυροδοτεί επαναλαμβανόμενα «αγγίγματα» και απομακρύνσεις των επιφανειών, δημιουργώντας και συσσωρεύοντας ηλεκτρική ενέργεια.

Το παραγόμενο φορτίο δεν χρησιμοποιείται αμέσως. Αποθηκεύεται σε έναν μικρό πυκνωτή μέχρι να συγκεντρωθεί αρκετή ενέργεια ώστε να εκπεμφθεί ένας παλμός βηματοδότησης. Σε εργαστηριακές δοκιμές, η συσκευή παρήγαγε πάνω από διπλάσια ισχύ ανά μονάδα όγκου σε σύγκριση με προηγούμενες εμφυτεύσιμες λύσεις συλλογής ενέργειας. Επιπλέον, δοκιμάστηκε σε προσομοιώσεις διαφορετικών καρδιακών κινήσεων, ακόμη και σε μειωμένη κίνηση που αντιστοιχεί σε ασθενέστερες συστολές, και συνέχισε να παράγει αξιοποιήσιμη ενέργεια εντός των ορίων που απαιτούνται για τα ηλεκτρονικά ενός σύγχρονου βηματοδότη.

Ιδιαίτερα ενθαρρυντικό ήταν και το τεστ επιταχυνόμενης κόπωσης: σε συνθήκες που αντιστοιχούν σε δέκα χρόνια λειτουργίας με 60 παλμούς το λεπτό, η απόδοση παρέμεινε σταθερή. Αν αυτό επιβεβαιωθεί και σε μακροχρόνιες εμφυτεύσεις, θα μιλάμε για ένα πραγματικό άλμα στη διάρκεια ζωής των συσκευών.

Τι έδειξαν τα πειράματα σε χοίρους

Η μετάβαση από το εργαστήριο στον ζωντανό οργανισμό είναι πάντα το πιο δύσκολο και ουσιαστικό βήμα. Στη μελέτη συμμετείχαν 12 ενήλικοι χοίροι: οι 11 υποβλήθηκαν σε βραχυπρόθεσμες δοκιμές εμφύτευσης, ενώ σε έναν πραγματοποιήθηκε πλήρης εμφύτευση και παρακολούθηση για τέσσερις εβδομάδες.

Η εμφύτευση έγινε με κλινικό καθετήρα, μέσω φλέβας στη βουβωνική χώρα. Η συσκευή διένυσε περίπου 60–70 εκατοστά μέσα στο σώμα και στερεώθηκε στο εσωτερικό τοίχωμα της δεξιάς πλευράς της καρδιάς — δηλαδή με διαδικασία αντίστοιχη με αυτή που χρησιμοποιείται ήδη σήμερα για τους βηματοδότες χωρίς ηλεκτρόδια.

Στις τέσσερις εβδομάδες παρακολούθησης, οι ακτινογραφίες επιβεβαίωσαν ότι η συσκευή δεν μετακινήθηκε και δεν αποκολλήθηκε, ενώ το υπερηχογράφημα δεν έδειξε διαταραχές στη λειτουργία των καρδιακών βαλβίδων. Παράλληλα, αιματολογικές εξετάσεις σε πέντε χρονικά σημεία έδειξαν ότι οι δείκτες ανοσολογικής αντίδρασης, τα αιμοπετάλια και οι δείκτες νεφρικής και ηπατικής λειτουργίας παρέμειναν εντός φυσιολογικών ορίων. Στο τέλος των 29 ημερών, το ζώο είχε πάρει βάρος, διατηρούσε φυσιολογική δραστηριότητα και δεν εμφάνιζε σημάδια δυσφορίας.

Μετά την αφαίρεση της συσκευής, η ανάλυση ιστών στο σημείο εμφύτευσης έδειξε τοπική ουλοποίηση, αντίστοιχη με εκείνη που παρατηρείται συνήθως μετά την εμφύτευση εμπορικών βηματοδοτών χωρίς καλώδια, ενώ οι ιστοί σε μεγαλύτερη απόσταση παρέμειναν φυσιολογικοί.

Η κρίσιμη απόδειξη: η καρδιά «τροφοδότησε» τη βηματοδότηση

Το πιο εντυπωσιακό σημείο της μελέτης ήταν η λειτουργική απόδειξη ότι η ενέργεια από την καρδιά μπορεί να κάνει πραγματική δουλειά. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την ενέργεια που συνέλεγε η συσκευή για να τροφοδοτήσουν μια εμπορική ηλεκτρονική μονάδα βηματοδότη.

Χωρίς μπαταρία και χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας, ο βηματοδότης αύξησε τον καρδιακό ρυθμό ενός χοίρου από 92 σε 100 παλμούς το λεπτό και, σε άλλη δοκιμή, από 75 σε 120 παλμούς το λεπτό.

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα επιβεβαίωσε σταθερό ηλεκτρικό μοτίβο, ενώ όταν η πηγή ενέργειας άλλαξε από συμβατική μπαταρία σε τροφοδότηση από TENG, δεν παρατηρήθηκε διακοπή στη βηματοδότηση. Με άλλα λόγια, η συγκομιδή ενέργειας από την κίνηση της καρδιάς μπόρεσε να «πάρει τη σκυτάλη» χωρίς να διαταράξει το αποτέλεσμα.

Τι μένει πριν από την κλινική εφαρμογή

Παρότι η προοπτική ενός βηματοδότη χωρίς μπαταρία είναι εξαιρετικά ελπιδοφόρα, ο δρόμος προς την κλινική χρήση παραμένει μακρύς. Το σημαντικότερο όριο είναι ότι μόνο ένα ζώο ολοκλήρωσε την πλήρη αξιολόγηση τεσσάρων εβδομάδων. Χρειάζονται μεγαλύτερες ομάδες και πολύ μεγαλύτερες περίοδοι εμφύτευσης για να φανεί πώς θα επηρεαστούν με τον χρόνο η παραγωγή ενέργειας και η μηχανική συμπεριφορά της συσκευής, ιδιαίτερα αν η ουλοποίηση μεταβάλει τις μικροκινήσεις που απαιτούνται για τη συγκομιδή ενέργειας.

Επιπλέον, οι δοκιμές έγιναν σε υγιείς χοίρους — επομένως η αξιολόγηση σε μοντέλα με καρδιακή νόσο, όπου η καρδιακή κίνηση και η φυσιολογία διαφέρουν, αποτελεί κρίσιμο επόμενο βήμα.