Novo modelo de marca-passo é o menor do mundo, do tamanho de um grão de arroz, e é ativado pela luz

Engenheiros da Universidade Northwestern desenvolveram um marca-passo tão pequeno que cabe na ponta de uma seringa, e pode ser injetado no corpo de forma não invasiva.

Embora possa funcionar com corações de todos os tamanhos, o marca-passo é particularmente adequado para os corações minúsculos e frágeis de recém-nascidos com cardiopatias congênitas.

Menor que um grão de arroz, o marca-passo é acoplado a um pequeno dispositivo vestível, macio, flexível e sem fio, que se fixa no peito do paciente para controlar a estimulação. Quando o dispositivo vestível detecta um batimento cardíaco irregular, ele emite automaticamente um pulso de luz para ativar o marca-passo. Esses pulsos curtos, que penetram na pele, no esterno e nos músculos do paciente, controlam a estimulação.

Projetado para pacientes que precisam apenas de estimulação temporária, o marca-passo simplesmente se dissolve quando não é mais necessário. Todos os componentes do marca-passo são biocompatíveis, dissolvendo-se naturalmente nos fluidos corporais, dispensando a extração cirúrgica.

O estudo, publicado na revista Nature, demonstra a eficácia do dispositivo em uma série de modelos animais de grande e pequeno porte, bem como em corações humanos de doadores de órgãos falecidos.

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“Desenvolvemos o que é, até onde sabemos, o menor marca-passo do mundo”, disse John A. Rogers, pioneiro em bioeletrônica da Northwestern, que liderou o desenvolvimento do dispositivo. “Há uma necessidade crucial de marca-passos temporários no contexto de cirurgias cardíacas pediátricas, e esse é um caso de uso em que a miniaturização do tamanho é extremamente importante. Em termos da carga do dispositivo no corpo, quanto menor, melhor.”

“Nossa principal motivação foram as crianças”, disse o cardiologista experimental da Northwestern, Igor Efimov, que co-liderou o estudo. “Cerca de 1% das crianças nascem com cardiopatias congênitas, independentemente de viverem em países com poucos ou muitos recursos. A boa notícia é que essas crianças só precisam de marca-passo temporário após uma cirurgia. Em cerca de sete dias, o coração da maioria dos pacientes se autorrepara. Mas esses sete dias são absolutamente cruciais. Agora, podemos colocar esse pequeno marca-passo no coração de uma criança e estimulá-lo com um dispositivo macio, delicado e portátil. E nenhuma cirurgia adicional é necessária para removê-lo.”

Este trabalho se baseia em uma colaboração anterior entre Rogers e Efimov, na qual desenvolveram o primeiro dispositivo solúvel para estimulação cardíaca temporária. Muitos pacientes necessitam de marca-passos temporários após cirurgias cardíacas, seja enquanto aguardam a instalação de um marca-passo permanente ou para ajudar a restaurar a frequência cardíaca normal durante a recuperação.

No padrão de tratamento atual, os cirurgiões costuram os eletrodos no músculo cardíaco durante a cirurgia. Os fios dos eletrodos saem pela parte frontal do tórax do paciente, onde se conectam a um marca-passo externo que fornece corrente para controlar o ritmo cardíaco.

Quando o marca-passo temporário não é mais necessário, os médicos removem os eletrodos do marca-passo. Possíveis complicações incluem infecção, deslocamento, tecidos rompidos ou danificados, sangramento e coágulos sanguíneos.

Embora o marca-passo solúvel original, do tamanho de uma moeda de 25 centavos, tenha funcionado bem em estudos pré-clínicos com animais, cirurgiões cardíacos questionaram se seria possível torná-lo menor. Assim, ele seria mais adequado para implantes não invasivos e para uso em pacientes menores. Mas o dispositivo era alimentado por protocolos de comunicação de campo próximo, a mesma tecnologia usada em smartphones para pagamentos eletrônicos e em etiquetas RFID, o que exigia uma antena embutida.

“Nosso marca-passo original funcionou bem”, disse Rogers. “Era fino, flexível e totalmente reabsorvível. Mas o tamanho da antena receptora limitou nossa capacidade de miniaturizá-lo. Em vez de usar o esquema de radiofrequência para controle sem fio, desenvolvemos um esquema baseado em luz para ligar o marca-passo e fornecer pulsos de estimulação à superfície do coração. Esse é um recurso que nos permitiu reduzir drasticamente o tamanho.”

Para ajudar a reduzir ainda mais o tamanho do dispositivo, os pesquisadores também reinventaram sua fonte de energia. Em vez de usar comunicação de campo próximo para fornecer energia, o novo e minúsculo marca-passo opera por meio da ação de uma célula galvânica, um tipo de bateria simples que transforma energia química em energia elétrica. Especificamente, o marca-passo usa dois metais diferentes como eletrodos para fornecer pulsos elétricos ao coração. Quando em contato com os biofluidos circundantes, os eletrodos formam uma bateria. As reações químicas resultantes fazem com que a corrente elétrica flua para estimular o coração.

“Quando o marca-passo é implantado no corpo, os biofluidos circundantes atuam como o eletrólito condutor que une eletricamente essas duas almofadas metálicas para formar a bateria”, disse Rogers. “Um minúsculo interruptor ativado por luz no lado oposto da bateria nos permite mudar o dispositivo do estado ‘desligado’ para o estado ‘ligado’ mediante o fornecimento de luz que atravessa o corpo do paciente a partir do adesivo fixado na pele.”

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Mesmo sendo tão pequeno, medindo apenas 1,8 milímetros de largura, 3,5 milímetros de comprimento e 1 milímetro de espessura, o marca-passo ainda fornece tanta estimulação quanto um marca-passo de tamanho normal.

“O coração requer uma pequena quantidade de estimulação elétrica”, disse Rogers. “Ao minimizar o tamanho, simplificamos drasticamente os procedimentos de implantação, reduzimos o trauma e o risco para o paciente e, com a natureza solúvel do dispositivo, eliminamos qualquer necessidade de procedimentos cirúrgicos secundários de extração.”

Como os dispositivos são tão pequenos, os médicos poderiam distribuir conjuntos deles por todo o coração. Uma cor de luz complexa poderia iluminar para controlar independentemente um marca-passo específico. O uso de múltiplos marca-passos dessa maneira permite uma sincronização mais sofisticada em comparação com a estimulação tradicional. Em casos especiais, diferentes áreas do coração podem ser estimuladas em ritmos diferentes, por exemplo, para interromper arritmias.

“Podemos implantar vários desses pequenos marca-passos na parte externa do coração e controlar cada um”, disse Efimov. “Assim, podemos obter um cuidado funcional sincronizado aprimorado. Também poderíamos incorporar nossos marca-passos a outros dispositivos médicos, como substituições de válvulas cardíacas, que podem causar bloqueio cardíaco.”

A versatilidade da tecnologia abre uma ampla gama de outras possibilidades de uso em medicina bioeletrônica, incluindo auxiliar na cicatrização de nervos e ossos, tratar feridas e bloquear a dor.

Confira a seguir o resumo do artigo publicado.

Sistemas optoeletrônicos biorreabsorvíveis em escala milimétrica para eletroterapia

Marca-passos temporários são essenciais para o tratamento de pacientes com bradicardia de curta duração em situações pós-operatórias e outras. Dispositivos convencionais requerem cirurgia cardíaca aberta invasiva ou cirurgia endovascular menos invasiva, ambas desafiadoras para pacientes pediátricos e adultos. Outras complicações incluem riscos de infecções, lacerações e perfurações do miocárdio, além de deslocamentos de fontes de alimentação externas e sistemas de controle.

Neste estudo, apresentou-se um sistema optoeletrônico biorreabsorvível em escala milimétrica com fonte de alimentação integrada e mecanismo de controle óptico sem fio, com capacidades generalizadas em eletroterapia e oportunidades específicas de aplicação em estimulação cardíaca temporária. O tamanho extremamente reduzido desses dispositivos permite implantação minimamente invasiva, incluindo injeção percutânea e administração endovascular.

Estudos experimentais demonstram a eficácia da estimulação em modelos cardíacos de camundongos, ratos, suínos, caninos e humanos, tanto em locais únicos quanto em múltiplos locais. O pareamento com um dispositivo sem fio com interface cutânea permite operação autônoma em circuito fechado após a detecção de arritmias.

Trabalhos futuros ilustram oportunidades na combinação desses dispositivos miniaturizados com outros implantes médicos, com um exemplo de matrizes de marca-passos para uso individual ou coletivo nas estruturas de sistemas de substituição de válvula aórtica por cateter, para fornecer soluções exclusivas que abordem os riscos de bloqueio atrioventricular após cirurgias.

Essa tecnologia básica pode ser facilmente adaptada para uma ampla gama de aplicações adicionais em eletroterapia, como regeneração nervosa e óssea, terapia de feridas e controle da dor.

 

Fontes:
Nature, publicação em 02 de abril de 2025.
Northwestern University, notícia publicada em 02 de abril de 2025.