Ingenieros de la Universidad Northwestern han desarrollado un marcapasos tan diminuto que puede caber en la punta de una jeringa y ser inyectado en el cuerpo de manera no invasiva. Aunque puede funcionar con corazones de todos los tamaños, este marcapasos es particularmente adecuado para los frágiles y pequeños corazones de los recién nacidos con defectos cardíacos congénitos.
Más pequeño que un grano de arroz, el marcapasos se combina con un pequeño y flexible dispositivo portátil inalámbrico que se coloca en el pecho del paciente para controlar el ritmo cardíaco. Cuando este dispositivo detecta un latido irregular, emite automáticamente un pulso de luz para activar el marcapasos. Estos breves pulsos, que atraviesan la piel, el esternón y los músculos del paciente, regulan la estimulación del corazón.
Diseñado para pacientes que solo necesitan estimulación temporal, el marcapasos simplemente se disuelve cuando ya no es necesario. Todos sus componentes son biocompatibles, lo que permite que se disuelvan de manera natural en los fluidos corporales, eliminando la necesidad de una extracción quirúrgica.
El estudio, publicado este miércoles en la revista Nature, demuestra la eficacia del dispositivo en una serie de modelos animales grandes y pequeños, así como en corazones humanos de donantes fallecidos.
"Hemos desarrollado, hasta donde sabemos, el marcapasos más pequeño del mundo", explica John A. Rogers, pionero en bioelectrónica en Northwestern y líder del desarrollo del dispositivo. "Existe una gran necesidad de marcapasos temporales en cirugías pediátricas del corazón, y en este caso, la miniaturización del dispositivo es fundamental. Cuanto más pequeño, mejor para el paciente".
"Nuestra principal motivación fueron los niños", apunta Igor Efimov, cardiólogo experimental de Northwestern y coautor del estudio. "Aproximadamente el 1% de los niños nace con defectos cardíacos congénitos. La buena noticia es que estos niños solo necesitan estimulación temporal después de una cirugía. En unos siete días, la mayoría de sus corazones se reparan por sí mismos. Pero esos siete días son críticos. Ahora podemos colocar este diminuto marcapasos en el corazón de un niño y estimularlo con un dispositivo portátil suave y ligero, sin necesidad de cirugía adicional para retirarlo", añade.
Una necesidad médica insatisfecha
Este avance se basa en una colaboración previa entre Rogers y Efimov, en la que desarrollaron el primer dispositivo disoluble para estimulación temporal. Muchos pacientes requieren marcapasos temporales tras una cirugía cardíaca, ya sea mientras esperan un marcapasos permanente o para ayudar a restaurar un ritmo normal durante la recuperación.
Actualmente, los cirujanos cosen los electrodos del marcapasos en el músculo cardíaco durante la cirugía. Los cables de los electrodos salen por el pecho del paciente y se conectan a una caja externa que regula el ritmo del corazón. Cuando el marcapasos ya no es necesario, los médicos retiran los electrodos, lo que puede conllevar complicaciones como infecciones, desprendimiento, daño en los tejidos, hemorragias o coágulos sanguíneos.
"Los cables sobresalen del cuerpo y están conectados a un marcapasos externo", explica Efimov. "Cuando ya no se necesita, el médico lo retira. Pero los cables pueden quedar atrapados en el tejido cicatricial, y al extraerlos, se corre el riesgo de dañar el músculo cardíaco. De hecho, así fue como murió Neil Armstrong: tenía un marcapasos temporal tras una cirugía de bypass, y al retirar los cables, sufrió una hemorragia interna".
En respuesta a esta necesidad médica, Rogers, Efimov y sus equipos desarrollaron su marcapasos disoluble, presentado en Nature Biotechnology en 2021. Este dispositivo fino, flexible y liviano eliminó la necesidad de baterías voluminosas y hardware rígido, como cables. El laboratorio de Rogers previamente había inventado el concepto de medicina electrónica bioabsorbible, es decir, dispositivos electrónicos que brindan un beneficio terapéutico y luego se disuelven de manera inofensiva en el cuerpo, similar a los puntos de sutura absorbibles. Ajustando la composición y el grosor de los materiales, el equipo de Rogers puede determinar cuántos días el marcapasos funcionará antes de disolverse.
Una batería impulsada por fluidos corporales
El primer marcapasos disoluble, del tamaño de una moneda de 25 centavos, funcionó bien en estudios preclínicos con animales. Sin embargo, los cirujanos cardíacos pidieron que fuera aún más pequeño para facilitar la implantación no invasiva y su uso en pacientes pediátricos.
Para hacerlo aún más pequeño, los investigadores rediseñaron su fuente de energía. En lugar de depender de NFC, el nuevo marcapasos utiliza una celda galvánica, un tipo de batería que convierte energía química en energía eléctrica.
El marcapasos tiene dos metales distintos como electrodos, los cuales generan impulsos eléctricos cuando entran en contacto con los fluidos corporales. "Cuando el marcapasos se implanta en el cuerpo, los fluidos circundantes actúan como electrolitos conductores, formando una batería", explicó Rogers. "Un diminuto interruptor activado por luz nos permite encender y apagar el dispositivo a través de la piel, sin necesidad de cirugía".
El equipo utilizó luz infrarroja, que penetra de forma segura y profunda en el cuerpo. Si el ritmo cardíaco del paciente baja de cierto nivel, el dispositivo portátil detecta el evento y activa un diodo emisor de luz (LED). La luz parpadea a un ritmo que coincide con la frecuencia cardíaca normal.
A pesar de su diminuto tamaño (1,8 milímitros de ancho, 3,5 milímetros de largo y 1 milímetro de grosor), el marcapasos proporciona la misma estimulación que un dispositivo de tamaño completo.
Este avance abre nuevas posibilidades para la medicina bioelectrónica, como la estimulación de nervios y huesos para sanar, el tratamiento de heridas y el bloqueo del dolor.