Un nuevo marcapasos no invasivo que utiliza ultrasonido promete revolucionar la cardiología
Ingenieros del MIT han desarrollado un innovador marcapasos no invasivo que estimula el corazón mediante ultrasonido. Este diseño podría ofrecer, en un futuro, una alternativa sin cirugía a los implantes cardíacos tradicionales.
El dispositivo se presenta como una pequeña pegatina que se adhiere al pecho. Minúsculos transductores en la pegatina envían pulsos de ultrasonido a través del tórax para estimular el corazón. Estas ondas ultrasónicas provocan la apertura de ciertos canales iónicos en las células cardíacas, un efecto que los investigadores han amplificado mediante ingeniería genética. Cuando estos canales se abren, permiten la entrada de calcio, lo que indica a una célula cardíaca que debe contraerse y latir.
En experimentos realizados en laboratorio, los investigadores aplicaron ondas ultrasónicas a células cardíacas humanas modificadas genéticamente y encontraron que los pulsos mantenían eficazmente las contracciones saludables de las células. Además, probaron la pegatina de ultrasonido en ratas y comprobaron que el dispositivo corregía rápidamente, de forma segura y no invasiva, las arritmias y restauraba las contracciones regulares del corazón.
Prototipo prometedor y colaboración interdisciplinaria
El equipo ha fabricado un prototipo que incluye la pegatina de ultrasonido (del tamaño de un sello postal) y un pequeño dispositivo portátil con baterías y electrónica asociada. Anteriormente, este mismo grupo había demostrado un diseño de pegatina que utiliza ultrasonido para imágenes de órganos y tejidos profundos. Ahora planean combinar ambos enfoques en una sola pegatina de ultrasonido para monitorear y regular simultáneamente la actividad del corazón.
“Creemos que algún día podríamos tener pegatinas en el cuerpo capaces de realizar imágenes a largo plazo en el interior del organismo y también estimular terapéuticamente, todo de manera no invasiva”, afirma Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT.
Zhao y sus colegas, junto con colaboradores del grupo del profesor Qifa Zhou en la Universidad del Sur de California (USC), han publicado sus resultados en un estudio que aparece hoy en la revista Nature Biomedical Engineering. Entre los coautores del MIT se encuentran Chen Gong (primer autor), Runze Li, Won Jun Song y exposdocentes Gengxi Lu, Shucong Li y Hsiao-Chuan Liu. Otros colaboradores incluyen investigadores de Harvard University, la Universidad de California en Los Ángeles y otros grupos en USC.
Pacemaker: una necesidad médica transformadora
Aproximadamente 3 millones de adultos en Estados Unidos dependen actualmente de marcapasos. Estos pequeños dispositivos alimentados por batería son implantados quirúrgicamente en el pecho y actúan entregando impulsos eléctricos para regular la frecuencia cardíaca. Aunque los marcapasos implantables son un tratamiento médico bien establecido y generalmente seguro, conllevan ciertos riesgos.
“Los marcapasos son uno de los implantes humanos más importantes y utilizados ampliamente; han salvado millones de vidas”, señala Gengxi Lu, coautor correspondiente del artículo. “Sin embargo, son invasivos y hacen contacto directo con el corazón palpitante. Durante muchos años ha existido el sueño de lograr una estimulación cardíaca no invasiva mediante ultrasonido”.
El ultrasonido abarca una gama de ondas acústicas que penetran el cuerpo sin riesgo. Estas ondas reflejan y resuenan sobre estructuras internas permitiendo a los técnicos resolver e imaginar órganos y tejidos dentro del organismo. Además, pueden ser dirigidas para estimular efectos terapéuticos; por ejemplo, científicos están explorando su uso para tratar enfermedades cerebrales como Parkinson o Alzheimer.
Aumentando la sensibilidad celular al ultrasonido
Científicos han encontrado beneficios del ultrasonido para el corazón; estudios previos han demostrado que puede activar células cardíacas sin riesgos significativos. Sin embargo, los efectos han sido inconsistentes. En su nueva investigación, Zhao y su equipo buscaron amplificar estos efectos utilizando sonogenética —una técnica relativamente nueva inspirada en optogenética— donde se manipulan genéticamente partes específicas de una célula para responder a estímulos externos.
En su trabajo para desarrollar este marcapasos ultrasónico, primero aumentaron la sensibilidad celular al ultrasonido mediante sonogenética. Utilizando prácticas estándar derivaron células cardíacas a partir de células madre embrionarias e introdujeron alteraciones genéticas que incrementaron su sensibilidad al ultrasonido.
“Estos canales ahora pueden ‘escuchar’ mejor el ultrasonido y abrirse para permitir la entrada de calcio, lo cual activa directamente a la célula haciendo que lata”, explica Chen Gong.
Visión futura: terapia génica accesible
En experimentos con células cardíacas modificadas genéticamente, los investigadores observaron que cuando exponían estas células al ultrasonido, latían sincronizadas con las ondas generadas; esto contrastó con las células no manipuladas genéticamente.
Para cualquier aplicación clínica del marcapasos ultrasónico, el equipo imagina que un paciente recibiría inicialmente una inyección única —similar a una vacuna— destinada a aumentar genéticamente la sensibilidad celular ante las ondas ultrasónicas del marcapasos. Esta inyección constituiría una forma de terapia génica aprobada por la FDA para tratar ciertas condiciones hereditarias como la enfermedad de células falciformes o distrofia muscular espinal.
“Creemos que este paso sería clínicamente traducible como una forma de terapia génica capaz de habilitar marcapasos no invasivos”, asegura Gong.
Tecnología avanzada para mejorar tratamientos médicos
El equipo diseñó entonces el núcleo del marcapasos ultrasónico: una pegatina del tamaño aproximado de un sello postal incrustada con diminutos transductores ultrasónicos. La parte adhesiva está compuesta por un material hidrogel refinado por Zhao durante años para adherirse fuertemente a la piel mientras permite el paso libre de las ondas ultrasónicas.
En pruebas realizadas con ratas, primero administraron una solución potenciadora ultrasónica mediante sus colas antes de colocarles una versión miniatura del marcapasos sobre el pecho. Al activarlas observaron cómo el ultrasonido regulaba rápidamente los corazones animales; algunos sujetos con ritmos lentos fueron llevados a frecuencias normales mientras otros con latidos irregulares se estabilizaron siguiendo los “ticks” emitidos por el ultrasonido.
"Ahora podemos utilizar ultrasonido de baja intensidad para abrir canales iónicos en las células logrando así un eficaz ritmo cardíaco", concluye Gong. "Estamos trabajando para hacer estas pegatinas más pequeñas e integradas para facilitar su uso".
Zhao agrega: "En este estudio demostramos pacemaking no invasivo; sin embargo, creemos que este concepto podría ser útil más allá del ámbito cardiológico". La visión es contar algún día con pegatinas distribuidas por diferentes partes del cuerpo capaces tanto de realizar imágenes prolongadas como monitoreo continuo junto con estimulación terapéutica cerrada."
Este trabajo ha recibido apoyo parcial por parte del Instituto Nacional de Salud (NIH), la Fundación Nacional Científica (NSF), el Departamento de Oftalmología mediante Investigación para Prevenir Ceguera y el Departamento estadounidense de Guerra.
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