Q＆A：Soft Electronics Treat Heart Arrythmias

イリノイ州シカゴのノースウエスタン大学のジョンロジャース教授の研究室と協力して、イリノイ州ワシントンDCのジョージワシントン大学のイゴールエフィモフ教授とチームは、柔軟な電子機器を使用して低侵襲で患者の転帰を改善する新しいクラスの医療機器を開拓しています。手術。

テクニカルブリーフ： このプロジェクトをどのように始めましたか？

博士イゴール・エフィモフ： 私はかなり前から心臓の研究を行ってきました。私はクリーブランドクリニックで独立した研究者としてキャリアをスタートしました。クリーブランドクリニックは、長い革新の文化を持ち、多くの大きな進歩を遂げてきました。私はそこで多くの優秀な心臓専門医と仕事をしましたが、その経験によって本当に変革されました。

私の仕事は不整脈と心調律障害の治療に焦点を当てていました。 2番目の重要な経験は約7年か8年前でした。私は医療機器を実装するための新しいプラットフォームを探していましたが、生物学的に互換性のある材料を進歩させていたジョン・ロジャースの仕事に出くわしました。彼はすでに、主に神経科学の分野で、何人かの生物学者と協力してきました。私は彼を心臓病学で私と協力するように招待しました、そしてそれ以来私たちは一緒にたくさんの仕事をしました。まず、臓器適合電子機器のプラットフォームを作成しました。次に、「スマート」な電子機器、つまり信号処理、増幅、多重化などを可能にする独自のマイクロ回路を備えた医療機器のプラットフォームを作成しました。次のプロジェクトは、バッテリー不要の埋め込み型ペースメーカーでした。現在、体に吸収性を持たせ、不要になった後に吸収できるように取り組んでいます。

テクニカルブリーフ： バッテリー不要のデバイスはどのように電力を供給されますか？

博士エフィモフ： ペースメーカーには、外部アンテナと一致するアンテナがあります。衣服やウェアラブルパッチに埋め込まれた体外の回路を使用して、誘導電力伝達を使用してエネルギーとプログラミングを埋め込まれた電子機器に送信することができます。

2013年頃、私たちはマウスで動作するペースメーカーを設計しました。しかし、残念ながら、心筋に損傷を与えるほど硬い銀線電極を使用したため、マウスの死亡率は非常に高くなりました。それで、ジョンが設計したソフトコンフォーマルエレクトロニクスを使用するというアイデアが浮かびました。それが私の最初の刺激でした—私は彼に私の問題を解決できるかどうか尋ねました、そして彼はそうしました。

私たちの最新の論文は、経皮経静脈カテーテル用のデバイスを作成する方法について説明しています。埋め込まれることはありませんが、心臓の内側に挿入され、不整脈の領域に向かってナビゲートされます。それは2つの異なる機能を果たすことができる3つのタイプのセンサーとアクチュエーターを備えた5つの異なる機能を持っています。この種の多機能、マルチフィジックスにより、切除治療の速度を劇的に向上させることができます。アブレーションは、心調律障害の治療に使用される最先端の技術です。心房細動（AF）または心室性頻脈の患者の85％は薬で治療できないため、この病気と一緒に暮らす必要があります。残念ながら、それは脳卒中率と死亡率の劇的な増加につながります。米国だけでも約500万人の心房細動患者がいます。世界全体で約1500万人であり、平均余命の延長により、2050年までに5000万人の心房細動が発生すると予測されています。

心臓アブレーションは、心房細動を引き起こしている心臓組織を破壊することによって心房細動を矯正することができる手順です。現在、治療はいくつかのハードウェアを挿入することによって行われています。 1つは、心臓からの電気信号を記録することによって不整脈をマッピングするエレクトログラムを作成するために使用されます。これらの電位図は、不整脈の原因を理解しようとするために使用できます。次に、別のハードウェアを挿入してアブレーションを行うことができます。アブレーションとは、本質的に、RF電流を使用して組織を燃焼させることを意味します。これにより、組織の温度が約55°C〜60°C [131°F〜140°F]に上昇します。その結果、不整脈の原因となる細胞を殺し、うまくいけばAFを殺します。 1つはロケーション用、もう1つはアブレーション用に、非同期で手順を実行しているため、適切に実行するには技術的な問題がたくさんあります。電極を挿入すると、明らかに直接の見通し線がないため、X線が必要です。心臓の内部のハードウェアを確認して適切にナビゲートできる唯一の方法は、X線スナップショットを使用することです。これにより、患者と医師は完全に安全ではない線量の放射線にさらされます。私たちの技術は、マッピングとアブレーションを1つのデバイスに組み合わせることで、放射線を減らすことができます。私たちのデバイスには心臓の広い領域をカバーする多数のセンサーとアクチュエーターがあるため、デバイスを何度も移動する必要はありません。したがって、カテーテルを繰り返し再配置することなく、マッピングとアブレーションを行うことができます。これにより、放射線への曝露が減少します。

このようなマッピングデバイスには通常は存在しない追加のモダリティがいくつかあります。温度センサーのマトリックスと、力センサーのもう1つです。これらの2つのマトリックスは、リアルタイムで読み取り値を提供します。温度センサーを使用すると、アブレーション時に温度を監視できます。これは、正しい温度範囲にいない場合、アブレーションが失敗するため重要です。消火目標を100℃超えると、間質液や血液を沸騰させて泡などの問題を引き起こし、梗塞や脳卒中を引き起こす可能性があるため、危険です。したがって、非常に正確である必要があります。力測定マトリックスを使用すると、アブレーションマトリックスと心臓の間に良好な物理的接触があることを確認できます。これは、アブレーションにとって非常に重要です。接触が不十分な場合は、アクチュエータにどれだけのエネルギーを加えても、心臓自体に適切なエネルギーを供給しません。

現在のアブレーションの方法は、単一のワンポイントカテーテルを使用することです。これは、文字通り心臓の内側に挿入するワイヤーで、スポットごとに突き刺します。この場合、心臓の広い領域をカバーする数百のセンサーがあります。この非常に重要な接触は、力の測定を使用してのみ確立できます。残念ながら、心臓は軟組織であり、心筋との接触が非常に小さいため、X線で心臓を見ることができません。したがって、X線でカテーテルを見ることができますが、心臓自体は見えません。

私たちのデバイスはまた、私たちが別のタイプのアブレーションを行うことを可能にします。現在、これは主にRFによって行われています。これは、RF電流によって温度が上昇するため、熱焼灼と呼ばれます。あるいは、あまり一般的ではありませんが、広く使用されている冷凍切除法を使用して、心臓を凍結することもできます。

現在出現している別の方法は不可逆エレクトロポレーションと呼ばれ、組織を燃焼させる代わりに、細胞膜に穴を開けて細胞を殺す大電流で組織をザッピングします。これはマイクロ秒単位で行われますが、RFのような熱的方法では、組織を殺すことができるように組織を調理するのに数分かかります。不可逆エレクトロポレーションは、心臓用途向けにまだ完全には開発されていませんが、現在、非熱技術として浮上しています。ただし、私たちのデバイスにはそれを実行する機能があります。

要約すると、私たちのデバイスは複数の場所でアブレーションを行うことができます。カテーテルを動かす必要はありません。同じデバイスから得られた不整脈マップに基づいて、必要に応じて領域全体を切除することができます。これはユニークです—これまでに行われたことはなく、同じデバイスでマッピングとアブレーションが行われます。さらに、安全性を確保するための熱および力の検知。

テクニカルブリーフ： 1つの質問：エレクトロポレーションの場合、電流はセルを通過しますか？

博士エフィモフ： はい、組織や細胞を刺激して十分な量のエネルギーを加えると、電流が脂質膜を流れるため、膜が破壊されます。脂質膜は通常、非導電性です。それらは本質的に導電性ではない脂肪で構成されていますが、十分なエネルギーを加えると、膜に穴を開けて細胞を殺します。

可逆的エレクトロポレーションは、わずかに少ないエネルギーを使用する別のアプリケーションです。高分子の送達に使用されます。遺伝子治療の場合、一例を挙げると、細胞に穴を開け、穴を開ける必要がありますが、穏やかな穴があります。そして、それらの穴はその後自分自身を修復します。これにより、RNAやタンパク質の断片やその他の大きな分子などの高分子を細胞内に配置することができます。これらは無傷の細胞の膜を貫通することはできませんが、エレクトロポレーション電流によって作成された細孔を通過することはできます。そのためにもデバイスを使用する予定です。したがって、誰かが心臓のある領域で遺伝子治療を必要とする場合、私たちはエレクトロポレーション電流を供給し、適切な治療を提供することができます。

テクニカルブリーフ： どのようにしてRF電力をデバイスに取り込み、どのようにして加熱に十分なRF電力を得るのですか？

博士エフィモフ： 良い質問。これは、このデバイスが実際に移植できない理由を示しています。私たちのデバイスは、ケーブルで外部の電子機器に接続されたカテーテルであり、バルーンのような構造に組み込まれています。切開を行い、通常は鼠径部で静脈を開き、静脈を通って心臓に入りますが、ケーブルで外部の電子機器に接続されています。それが心の中にあるとき、あなたはそれを展開し、あなたはそれを脱ぎ捨て、そしてそれは形になります。または、バルーンの中に生理食塩水を挿入すると、適切な形状になります。組織と接触しますが、配線されています。それがあなたが十分なエネルギーを届ける方法です。今のところ、そのようなものをワイヤレスで、またはバッテリーから供給するのに十分な大きさのエネルギー源を知りません。

テクニカルブリーフ： そして、エレクトロポレーションについても同じことが言えますか？

博士エフィモフ： はい、特にエレクトロポレーションは実際にはさらに高いエネルギーを必要とします。ただし、この手順では、埋め込み可能なものは必要ありません。米国だけでも年間数十万人の患者が不整脈の兆候のために切除されています。私が言ったように、薬は通常効かないので、あなたがそれについて何かをすることができる唯一の方法は、切除することです。アブレーションの場合は、電極を挿入します。患者はテーブルに横になり、軽く鎮静されます。ケーブルを挿入し、手順を実行し、ハードウェアを取り外してから、患者は帰宅します。

しかし、私たちは別の手順にも取り組んでいます。実際、私は低エネルギー療法で心房細動または心室細動を治療するための埋め込み型デバイスを開発しましたが、このデバイスでアブレーションすることはありません。不整脈を終わらせるために、低エネルギーで一連のパルスを適用します。ただし、埋め込み型デバイスは、患者の体内に長時間放置するため、要件がはるかに厳しくなります。

テクニカルブリーフ： あなたのイラストでは、カテーテルの端にあるバルーンに多数のセンサーとアクチュエーターがあることがわかりました。それらをどのように相互接続しますか？

博士エフィモフ： 曲がりくねったワイヤーで直接接続できるため、柔軟性がありますが、その場合はボトルネックになります。そのため、各センサーとアクチュエーターに独自の回路を装備しています。センサーの場合、増幅、フィルタリング、多重化のための回路があります。アクチュエータの場合、多重化を行います。ハイスループットシステムについて話している場合は、多重化が必要です。将来的には、数百から数千のセンサーとアクチュエーターが必要になると予想しているため、確実に多重化が必要になります。

テクニカルブリーフ： どんな種類のアクチュエータを使用していますか？

博士エフィモフ： このアプリケーションでは、RFアブレーション用であろうと不可逆エレクトロポレーション用であろうと、電気だけです。ただし、以前は、光学分光法などの光用のアクチュエータを使用する方法について説明しました。この種のデバイスのアクチュエータには、LEDとフォトダイオードがあります。 LEDは特定の波長の光を発し、心臓内の分子の蛍光を励起し、フォトダイオードがその蛍光を収集します。これにより、代謝など、心臓のさまざまな細胞プロセスを読み取ることができます。そのため、さまざまな種類のセンサーとアクチュエーターがあります。

テクニカルブリーフ： これを実験動物でテストしましたか？

博士エフィモフ： バッテリー不要の小型ペースメーカーを開発した以前のプロジェクトでは、ラットに植え込んで1か月ほど使用し、心臓刺激装置として長期間使用できることを示しました。

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テクニカルブリーフ： では、このデバイスをラットでもテストしましたか？

博士エフィモフ： ワシントンDCの地元の臓器調達機関から受け取った移植に受け入れられない、外植された人間の心臓のいくつかの設定でこのデバイスをテストしました。最終的には、人間でテストする予定です。しかし、私たちは豚でテストを行いました。これらのカテーテルは人間の心臓のサイズに合わせて設計されているため、小動物でテストすることはできません。

テクニカルブリーフ： これがいつ商品化されるかについての一般的な考えはありますか？

博士エフィモフ： ３年から５年はいい数字だと思います。臨床スタートアップの場合、ベンチャーキャピタルを取得する必要があります。これが次のステップです。

テクニカルブリーフ： 植込み型除細動器に関するこれまでの研究はどうですか？

博士エフィモフ： 私の目標は、除細動に必要なエネルギー量を減らすことでした。現在、心室性不整脈や心臓突然死のために人間の胸部に埋め込まれている除細動器は、命を救います。しかし、患者が意識を持っていて、それが非常に苦痛である場合、それらは時々不適切に消えることがあります。それは胸に届けられる膨大な量のエネルギーです。ショックによる痛みのため、心房細動の患者には使用できません。心房細動の患者は、心室細動による心臓突然死の状態にあり、すでに意識がなく、生死の問題である患者とは異なり、意識があります。したがって、彼らにとって、それは痛みではありません。

私たちの仕事は、除細動戦略を変更して痛みをなくす方法についてでした。それは私が数年間やったことです。現在、植込み型除細動器技術を使用した臨床試験を実施しています。

テクニカルブリーフ： あなたの仕事は心臓病の治療に大きな変化をもたらすと私には思えます。

博士エフィモフ： そう思います。ジョンロジャースが材料科学者として長年取り組んできたもの—彼は、生物学的に準拠している、柔らかく、伸縮性があり、準拠していて、炎症を引き起こさない材料の電子機器の製造の伝統全体を開発することに専念しました。このすべての仕事は現在、医学の多くの分野で実を結びつつあります。私は特に心臓病学に興味がありますが、神経学、ブレイン・コンピューター・インターフェース、神経損傷患者の筋肉制御などの研究も行われています。ですから、これはバイオエレクトロニクスの分野にいるのに本当に良い時期です。今後10年から15年は信じられないほど素晴らしいものになると思います！

たとえば、私はNIHによって設立されたコミュニティの一員です。 SPARCと呼ばれるプログラム。これは、末梢器官を制御する末梢神経を制御して、本質的にさまざまな病気を制御する方法に焦点を当てています。交感神経系と副交感神経系は、心臓、肺、胃、腸など、体内のすべての臓器を制御します。神経をコントロールできれば、多くの病気の負担を軽減したり、病気をなくしたりすることができます。現在、交感神経と副交感神経を刺激し、それらを記録できるインターフェースの構築に取り組んでいます。これは、医学の多くの分野でも変革をもたらすでしょう。

テクニカルブリーフ： 私には空想科学小説のように聞こえます。

博士エフィモフ： 10年前は SF。実際、私は現在、サイバネティックで有機的なものであるため、タイトルに「サイボーグ」という忘れられた単語を使用することを提案した2人の協力者と一緒に別の助成金を書いています。

このインタビューの編集版は、TechBriefsの2020年11月号に掲載されました。