Questions-réponses :L'électronique douce traite les arythmies cardiaques

Le professeur Igor Efimov et une équipe de l'Université George Washington à Washington, DC - en collaboration avec le laboratoire du professeur John Rogers de l'Université Northwestern à Chicago, IL - sont les pionniers d'une nouvelle classe d'instruments médicaux qui utilisent une électronique flexible pour améliorer les résultats des patients dans les cas mini-invasifs. chirurgies.

Fiches techniques : Comment avez-vous démarré ce projet ?

Dr. Igor Efimov : Je fais de la recherche cardiaque depuis un certain temps maintenant. J'ai commencé ma carrière en tant que chercheur indépendant à la Cleveland Clinic, qui a une longue culture d'innovation et a connu de nombreuses percées majeures. J'y ai travaillé avec un certain nombre de cardiologues brillants et j'ai été vraiment transformé par cette expérience.

Mon travail était axé sur l'arythmie et le traitement des troubles du rythme cardiaque. Une deuxième expérience importante s'est déroulée il y a environ sept ou huit ans. Je cherchais une nouvelle plate-forme pour mettre en œuvre des dispositifs médicaux et je suis tombé sur les travaux de John Rogers, qui faisait des progrès dans les matériaux biologiquement compatibles. Il avait déjà travaillé avec quelques biologistes, principalement dans le domaine des neurosciences. Je l'ai invité à collaborer avec moi en cardiologie, et nous avons beaucoup travaillé ensemble depuis. Tout d'abord, nous avons créé une plate-forme pour l'électronique conforme aux organes. Ensuite, nous avons continué et créé une plate-forme pour l'électronique "intelligente" - essentiellement des dispositifs médicaux équipés de leurs propres micro-circuits, qui permettent le traitement du signal, l'amplification, le multiplexage, etc. Notre prochain projet était les stimulateurs cardiaques implantables sans pile. Nous nous efforçons maintenant de les rendre résorbables par le corps afin qu'ils puissent être absorbés lorsqu'ils ne sont plus nécessaires.

Fiches techniques : Comment l'appareil sans batterie est-il alimenté ?

Dr. Efimov : Le stimulateur possède une antenne qui correspond à une antenne externe. Vous pourriez avoir un circuit à l'extérieur de votre corps - intégré dans vos vêtements ou un patch portable - qui transmet l'énergie et la programmation dans l'électronique implantée en utilisant un transfert de puissance inductif.

Vers 2013, nous avions conçu un stimulateur cardiaque qui fonctionnait dans une souris. Mais malheureusement, nous avons utilisé une électrode en fil d'argent qui était si rigide qu'elle a endommagé le muscle cardiaque, nous avons donc eu une mortalité très élevée avec nos souris. Cela m'a donné l'idée d'utiliser l'électronique conforme douce que John avait conçue. C'était mon stimulus initial - je lui ai demandé s'il pouvait résoudre mon problème, et il l'a fait.

Notre article le plus récent explique comment créer un dispositif pour un cathéter transveineux percutané. Il ne sera pas implanté mais sera inséré à l'intérieur du cœur et dirigé vers une zone d'arythmie. Il a cinq fonctions différentes avec trois types de capteurs et d'actionneurs qui peuvent remplir deux fonctions différentes. Ce type de multiphysique multifonctionnel vous permet d'améliorer considérablement la vitesse des traitements ablatifs. L'ablation est une technologie de pointe utilisée pour le traitement des troubles du rythme cardiaque. 85% des patients atteints de fibrillation auriculaire (FA) ou de tachycardie ventriculaire ne peuvent pas être traités avec des médicaments, ils doivent donc vivre avec cette maladie. Cela, malheureusement, conduit à une augmentation spectaculaire du taux d'AVC et de la mortalité. Les États-Unis comptent à eux seuls environ 5 millions de patients atteints de FA. Dans le monde, c'est environ 15 millions, et d'ici 2050, on prévoit qu'il y aura 50 millions de personnes atteintes de fibrillation auriculaire en raison de l'allongement de l'espérance de vie.

L'ablation cardiaque est une procédure qui peut corriger la fibrillation auriculaire en détruisant le tissu cardiaque qui en est la cause. Actuellement, le traitement se fait en insérant plusieurs pièces de quincaillerie. L'un est utilisé pour créer des électrogrammes qui cartographient l'arythmie en enregistrant les signaux électriques du cœur. Ces électrogrammes peuvent être utilisés pour essayer de comprendre la source de l'arythmie. Un autre morceau de matériel peut alors être inséré pour faire l'ablation. L'ablation signifie essentiellement que vous brûlez les tissus, en utilisant un courant RF, ce qui augmente la température des tissus à environ 55°C – 60°C [131°F – 140°F]. En conséquence, vous tuez les cellules responsables de l'arythmie et, espérons-le, tuez la FA. Parce que vous effectuez la procédure de manière asynchrone, l'une pour la localisation et l'autre pour l'ablation, il y a beaucoup de difficultés techniques pour le faire correctement. Cela nécessite des rayons X, car lorsque vous insérez des électrodes, vous n'avez évidemment pas de ligne de visée directe. La seule façon de voir le matériel à l'intérieur du cœur et de naviguer correctement est d'utiliser des clichés radiographiques. Cela expose le patient et le médecin à une dose de rayonnement qui n'est pas entièrement sûre. Notre technologie peut réduire le rayonnement en combinant la cartographie et l'ablation dans un seul appareil. Vous n'avez pas besoin de déplacer l'appareil autant de fois car notre appareil possède de nombreux capteurs et actionneurs qui couvrent une grande partie du cœur. Vous pouvez donc cartographier et procéder à l'ablation sans repositionner le cathéter de façon répétitive, ce qui réduira l'exposition aux radiations.

Il existe quelques modalités supplémentaires qui ne sont généralement pas présentes dans de tels dispositifs de cartographie :une matrice de capteurs de température et une autre de capteurs de force. Ces deux matrices vous donnent des lectures en temps réel. Les capteurs de température vous permettent de surveiller la température pendant l'ablation, ce qui est essentiel car si vous n'êtes pas dans la bonne plage de température, l'ablation échouera. Si vous dépassez l'objectif d'extinction de 100°C, ce sera dangereux, car vous ferez bouillir les fluides interstitiels et le sang et cela créera des problèmes comme des bulles, qui peuvent provoquer des infarctus et des accidents vasculaires cérébraux. Donc, il faut être très précis. La matrice de mesure de force vous permet d'établir que vous avez un bon contact physique entre la matrice d'ablation et le cœur, ce qui est extrêmement important pour l'ablation, car si vous n'avez pas un bon contact, peu importe la quantité d'énergie que vous appliquez aux actionneurs, ils ne fourniront pas l'énergie appropriée au cœur lui-même.

La façon dont l'ablation est faite maintenant, c'est avec un seul cathéter à un point, littéralement un fil que vous insérez à l'intérieur du cœur, que vous poussez point par point. Dans notre cas, nous aurons des centaines de capteurs couvrant une grande partie du cœur. Ce contact très critique ne peut être établi qu'à l'aide d'une mesure de force. Vous ne pouvez malheureusement pas voir le cœur avec une radiographie car c'est un tissu mou et le contact avec le muscle cardiaque est très faible. Ainsi, vous pouvez voir le cathéter avec une radiographie, mais pas le cœur lui-même.

Notre appareil nous permet également de faire un autre type d'ablation. Actuellement, cela se fait principalement par RF, appelée ablation thermique car le courant RF augmente la température. Alternativement, nous pouvons utiliser la cryoablation, une procédure largement utilisée, bien que moins courante, où vous congelez le cœur.

Une autre méthode qui émerge maintenant, s'appelle l'électroporation irréversible, où au lieu de brûler le tissu, vous le zappez avec un courant élevé qui perce des trous dans les membranes cellulaires et tue ainsi les cellules. Cela se fait en quelques microsecondes, tandis que les méthodes thermiques comme la RF nécessitent quelques minutes pour cuire le tissu afin qu'il puisse le tuer. L'électroporation irréversible est en train de devenir une technologie non thermique, bien qu'elle n'ait pas encore été entièrement développée pour les applications cardiaques. Cependant, notre appareil a la capacité de le faire.

Pour résumer :notre appareil peut effectuer une ablation à plusieurs endroits ; vous n'avez pas besoin de déplacer un cathéter. Vous pouvez ablater toute la zone selon vos besoins, sur la base de la carte d'arythmie dérivée du même appareil. C'est unique - cela n'a jamais été fait auparavant, ayant la cartographie et l'ablation dans le même appareil. De plus, la détection thermique et de force garantit la sécurité.

Fiches techniques : Une question :pour l'électroporation, le courant traverse-t-il la cellule ?

Dr. Efimov : Oui, lorsque vous appliquez une quantité suffisante d'énergie en stimulant des tissus ou des cellules, vous perturbez la membrane car le courant traverse les membranes lipidiques, qui sont généralement non conductrices. Ils sont essentiellement constitués de graisse, qui n'est pas électriquement conductrice, mais si vous appliquez suffisamment d'énergie, vous ferez pénétrer la membrane et tuerez la cellule.

L'électroporation réversible est une autre application, qui utilise un peu moins d'énergie. Il est utilisé pour la livraison de macromolécules. Pour la thérapie génique, pour ne citer qu'un exemple, il faut également porate les cellules, y faire des trous, mais des trous légers. Et ces trous se répareront par la suite. Cela vous permet de mettre des macromolécules à l'intérieur de la cellule, telles que des morceaux d'ARN ou de protéines ou d'autres grosses molécules. Ceux-ci ne peuvent pas pénétrer à travers la membrane d'une cellule intacte, mais ils peuvent traverser les pores créés par le courant d'électroporation. Nous prévoyons que notre appareil sera également utilisé pour cela. Donc, si quelqu'un a besoin d'une thérapie génique dans une région du cœur, nous pouvons fournir le courant d'électroporation et fournir une thérapie appropriée.

Fiches techniques : Comment obtenez-vous la puissance RF dans l'appareil et comment obtenez-vous suffisamment de puissance RF pour le chauffage ?

Dr. Efimov : Bonne question. Cela montre pourquoi ce dispositif ne pourra pas être réellement implantable. Notre appareil est un cathéter relié par un câble à l'électronique extérieure et est instrumenté sur une structure en forme de ballon. Vous faites une incision, vous ouvrez une veine, généralement dans la région de l'aine, et vous traversez la veine jusqu'au cœur, mais elle est reliée par un câble à l'électronique extérieure. Quand c'est dans le coeur tu le déploies, tu le dégaines, et ça prend forme. Ou vous pouvez insérer une solution saline à l'intérieur du ballon, et il prend la forme appropriée. Bien qu'il entre en contact avec les tissus, il est câblé. C'est ainsi que vous fournissez suffisamment d'énergie. À l'heure actuelle, je ne connais pas de source d'énergie suffisamment importante pour fournir quelque chose comme ça sans fil ou à partir d'une batterie.

Fiches techniques : Et est-ce la même chose pour l'électroporation ?

Dr. Efimov : Oui, l'électroporation en particulier nécessite en fait une énergie encore plus élevée. Pour cette procédure, cependant, vous n'avez besoin de rien d'implantable. Des centaines de milliers de patients par an, rien qu'aux États-Unis, subissent une ablation pour une indication d'arythmie. Comme je l'ai dit, les médicaments ne fonctionnent généralement pas, donc la seule façon de faire quelque chose, c'est de procéder à l'ablation. Pour l'ablation, vous insérez l'électrode, le patient est allongé sur une table et est légèrement sédaté. Vous insérez le câble, vous effectuez la procédure, vous retirez le matériel, puis le patient rentre chez lui.

Mais nous travaillons également sur une autre procédure. En fait, j'ai développé un dispositif implantable pour le traitement de la fibrillation auriculaire ou ventriculaire avec une thérapie à faible énergie, mais nous ne procédons pas à l'ablation avec ce dispositif. Nous appliquons une séquence d'impulsions à faible énergie pour mettre fin à l'arythmie. Cependant, les dispositifs implantables ont des exigences beaucoup plus strictes car vous allez les laisser longtemps dans le corps d'un patient.

Fiches techniques : J'ai vu dans votre illustration que vous avez un grand nombre de capteurs et d'actionneurs sur le ballon à l'extrémité du cathéter. Comment les interconnectez-vous ?

Dr. Efimov : Vous pouvez vous connecter directement avec des fils serpentins, ce qui permet une flexibilité, mais dans ce cas, vous auriez un goulot d'étranglement. Ainsi, nous équipons chaque capteur et actionneur de son propre circuit. S'il s'agit d'un capteur, nous avons un circuit d'amplification, de filtrage et de multiplexage. Si c'est un actionneur, on fait du multiplexage. Si vous parlez de systèmes à haut débit, le multiplexage est nécessaire. À l'avenir, je prévois que nous aurons besoin de centaines à des milliers de capteurs et d'actionneurs, ce qui nécessitera certainement un multiplexage.

Fiches techniques : Quels types d'actionneurs utilisez-vous ?

Dr. Efimov : Pour cette application, juste électrique, que ce soit pour l'ablation RF ou pour l'électroporation irréversible. Cependant, nous avons précédemment écrit sur la façon dont nous pourrions avoir des actionneurs pour la lumière, par exemple, pour la spectroscopie optique. Un actionneur sur ce type d'appareil aurait une LED et une photodiode. La LED émettra une lumière d'une certaine longueur d'onde, qui excitera la fluorescence dans les molécules à l'intérieur du cœur et la photodiode collectera cette fluorescence. Cela nous donnera une lecture de divers processus cellulaires dans le cœur, par exemple, le métabolisme. Ainsi, il existe différents types de capteurs et d'actionneurs.

Fiches techniques : Avez-vous testé cela sur des animaux de laboratoire ?

Dr. Efimov : Pour notre projet précédent, où nous avons développé un stimulateur cardiaque miniature sans pile, nous avons montré que nous pouvions l'implanter chez un rat, qui pouvait l'avoir pendant environ un mois, et l'utiliser comme cardio-stimulateur à long terme.

Fiches techniques : Alors, avez-vous également testé cet appareil sur des rats ?

Dr. Efimov : Nous avons testé cet appareil dans quelques contextes, dans des cœurs humains explantés, qui ne sont pas acceptables pour la transplantation, que nous avons reçus de notre organisation locale d'approvisionnement en organes à Washington DC. A terme, nous prévoyons de le tester chez l'homme. Mais nous avons fait un test sur des porcs. Nous ne pouvons pas tester ces cathéters sur de petits animaux car ils sont conçus pour la taille du cœur humain.

Fiches techniques : Avez-vous une idée générale du moment où cela pourrait être commercialisé ?

Dr. Efimov : Je dirais avec certitude que trois à cinq ans est un bon chiffre. Pour une startup clinique, nous devons obtenir du capital-risque - c'est notre prochaine étape.

Fiches techniques : Qu'en est-il de vos travaux antérieurs sur les défibrillateurs implantables ?

Dr. Efimov : Mon objectif était de réduire la quantité d'énergie nécessaire à la défibrillation. Actuellement, les défibrillateurs, qui sont implantés dans la poitrine humaine pour les arythmies ventriculaires ou la mort cardiaque subite, sauvent des vies. Mais ils peuvent parfois se déclencher de manière inappropriée lorsque le patient est conscient et cela est extrêmement douloureux. C'est une énorme quantité d'énergie délivrée à la poitrine. En raison de la douleur induite par le choc, ils ne peuvent pas être utilisés chez les patients atteints de fibrillation auriculaire. Les patients atteints de fibrillation auriculaire sont conscients, contrairement aux patients en état de mort cardiaque subite par fibrillation ventriculaire, qui sont déjà inconscients, et pour qui c'est une question de vie ou de mort, donc pour eux, il ne s'agit pas de douleur.

Notre travail portait sur la façon de modifier la stratégie de défibrillation pour la rendre indolore. C'est ce que j'ai fait pendant plusieurs années. Nous menons actuellement des essais cliniques avec la technologie des défibrillateurs implantables.

Fiches techniques : Il me semble que votre travail apportera des changements majeurs dans les traitements des maladies cardiaques.

Dr. Efimov : Je pense que oui. Ce sur quoi John Rogers travaille depuis de nombreuses années en tant que scientifique des matériaux - il a pris sur lui de développer toute une tradition de fabrication pour l'électronique, de matériaux biologiquement conformes :doux, extensibles, conformes et ne provoquant pas d'inflammation. Tout ce travail porte maintenant ses fruits dans de nombreux domaines de la médecine. Je m'intéresse particulièrement à la cardiologie, mais il y a aussi des travaux en cours en neurologie, en interface cerveau-ordinateur, en contrôle musculaire pour les patients souffrant de lésions nerveuses, et ainsi de suite. C'est donc un très bon moment pour être dans le domaine de la bioélectronique. Je pense que les dix à quinze prochaines années seront incroyablement fantastiques !

Par exemple, je fais partie d'une communauté fondée par le NIH ; un programme appelé SPARC, qui se concentre sur la façon de contrôler les nerfs périphériques qui contrôlent les organes périphériques pour contrôler essentiellement différentes maladies. Les systèmes nerveux sympathique et parasympathique contrôlent tous les organes du corps :cœur, poumons, estomac, intestin, etc. Vous pouvez réduire le fardeau de nombreuses maladies, voire éliminer une maladie, si vous pouvez contrôler les nerfs. Nous travaillons actuellement à la construction d'une interface qui sera capable de stimuler les nerfs sympathiques et parasympathiques et aussi de les enregistrer. Cela sera également transformationnel dans de nombreux domaines de la médecine.

Fiches techniques : Cela ressemble à de la science-fiction pour moi.

Dr. Efimov : Il y a dix ans, c'était c'était la science-fiction. En fait, je suis en train d'écrire une autre subvention en ce moment avec quelques collaborateurs pour lesquels j'ai proposé d'utiliser le mot désormais oublié "cyborg" dans le titre, car il est à la fois cybernétique et organique.

Une version éditée de cette interview a été publiée dans le numéro de novembre 2020 de Tech Briefs.