心臓ケアに革命：不整脈治療のためのソフトエレクトロニクス

ワシントンDCのジョージ・ワシントン大学イゴール・エフィモフ教授チームが、シカゴのノースウェスタン大学ジョン・ロジャーズ教授研究室と協力し、柔軟エレクトロニクスを用いて低侵襲手術における患者転帰改善を図る、新たな医療機器クラスを先導しています。

プロジェクト開始の経緯

Tech Briefs： このプロジェクトにどう取り組み始めた？

エフィモフ博士： 長年心臓研究を行ってきました。クリーブランドクリニックで独立研究者としてキャリア開始——革新文化が長く、多くの重大ブレークスルーを生んできた場所です。そこで数人の優れた循環器専門医と共に働き、真に変革的な経験をしました。

私の研究は不整脈と心拍リズム障害治療に焦点。第二の重要経験は7-8年前。医療機器実装の新プラットフォームを探していた際、生体適合材料で進展を遂げていたジョン・ロジャーズの研究に出会いました。彼は既に一部生物学者（主に神経科学分野）と共同研究済み。心臓病学で協働するよう招き、以来多くの共同研究を行ってきました。まず器官適合エレクトロニクスプラットフォームを創出。次に「スマート」エレクトロニクスプラットフォーム——信号処理、増幅、多重化等を可能にする独自マイクロ回路搭載医療機器——を創出。次のプロジェクトは電池不要植込み型ペースメーカー。現在は体内吸収型（不要後に吸収される）化を進めています。

電池不要デバイスの給電原理

Tech Briefs： 電池不要デバイスはどう給電？

エフィモフ博士： ペースメーカーに外部アンテナと整合するアンテナを搭載。体外回路——衣類組み込みや着用パッチ等——から誘導電力伝送でエネルギーとプログラミングを植込みエレクトロニクスへ伝送。

2013年頃、マウスで動作するペースメーカー設計に成功。しかし硬い銀ワイヤー電極を使用したため心筋損傷でマウス死亡率高かった。それがジョンが設計したソフト適合エレクトロニクス使用の着想に。彼に問題解決を依頼し、実現してもらいました。

最新論文では、経皮的経静脈カテーテル用デバイス作成法を論じています。植込み型ではなく、心臓内へ挿入し不整脈領域へナビゲート。5機能、3タイプのセンサーと2機能持つアクチュエータを搭載。この多機能・多物理特性により、アブレーション治療速度を劇的に改善可能。アブレーションは心拍リズム障害治療の最先端技術。心房細動（AF）や心室頻拍患者の85%が薬物治療不可で、疾患と共存せざるを得ず、脳卒中率と死亡率が劇的に増加。米国だけで約500万AF患者。世界で約1500万、寿命延伸により2050年までに5000万人へ増加予測。

カテーテルアブレーションは、不整脈原因となる心組織を破壊して心房細動を是正する手技。現在、複数ハードウェア挿入で実施。一つで心電図マッピング（心臓電気信号記録）、もう一つでアブレーション。アブレーションはRF電流で組織焼灼、組織温度を55-60℃（131-140°F）に上昇。不整脈原因細胞を死滅させAF根治目指す。非同期手技（マッピングとアブレーション別デバイス）のため技術的困難多数。X線必要——電極挿入時、直接視認不可。ハードウェアを心臓内で可視化・ナビゲートするにはX線スナップショットのみ。患者と医師に不完全安全でない放射線被曝。我々技術でマッピングとアブレーションを単一デバイス化し放射線低減。デバイスに多数センサー/アクチュエータが心臓広範囲カバー、カテーテル再位置決め繰り返し不要で放射線被曝削減。

温度・力センサーマトリクスで安全性確保

通常マッピングデバイスにない追加モダリティ：温度センサーマトリクスと力センサーマトリクス。これら2マトリクスがリアルタイム読み出し提供。温度センサーでアブレーション中温度監視可能——アブレーション成否にクリティカル。正確温度範囲外ならアブレーション失敗。目標超え100℃なら危険——間質液と血液沸騰、気泡生成で梗塞・脳卒中誘発。極めて精密である必要。力測定マトリクスで、アブレーションマトリクスと心臓の良好物理接触確立——アブレーションにクリティカル。良好接触なければ、アクチュエータにいくらエネルギー印加しても心臓へ適切エネルギー伝達不可。

現在アブレーションは単一点カテーテル——心臓内挿入ワイヤーでスポット毎に突き刺す。我々ケースでは100個以上センサーが心臓広範囲カバー。このクリティカル接触は力測定でのみ確立可能。残念ながらX線で心臓視認不可——軟組織で心筋接触極小。カテーテルはX線で見えても心臓自体見えない。

デバイスは代替アブレーションタイプも可能。現在は主にRF（熱的アブレーション、RF電流で温度上昇）。代替としてクライオアブレーション——心臓凍結する広く用いられるが少ない手技。新たに出現中なのが非可逆エレクトロポレーション——組織焼灼でなく高電流で細胞膜に穴開け細胞死滅。マイクロ秒で完了、RF等熱的手法は数分必要。非可逆エレクトロポレーションは非熱技術として出現中だが、心臓用途で未完全開発。しかし我々デバイスは可能。

要約：我々デバイスは複数箇所でアブレーション可能——カテーテル移動不要。同一デバイス由来不整脈マップベースで必要領域全域アブレーション。マッピングとアブレーション同一デバイス——前例なし。さらに熱・力センシングで安全性確保。

エレクトロポレーションとRF電力供給

Tech Briefs： エレクトロポレーションでは電流が細胞通過？

エフィモフ博士： はい、組織/細胞へ十分エネルギー印加で膜破壊——電流が脂質膜通過。脂質膜は通常非導電性（本質的に脂肪、電気非導電）。だが十分エネルギー印加でポレーション、細胞死滅。

可逆エレクトロポレーションも別応用——やや低エネルギー。マクロ分子送達用。遺伝子治療例：細胞ポレーション、穴開け必要だがマイルド。その後穴自己修復。RNA断片、タンパク質、他大分子を細胞内へ導入可能。健全細胞膜では透過不可だが、エレクトロポレーション電流で作った孔なら通過可能。我々デバイスもこれに対応予定。心臓特定領域へ遺伝子治療必要なら、エレクトロポレーション電流供給と適切治療提供可能。

Tech Briefs： RF電力をデバイスへどう導入、加熱用十分RF電力どう確保？

エフィモフ博士： 良い質問。なぜこのデバイスが真に植込み型になれないか示す。デバイスはケーブルで外部エレクトロニクス接続されたカテーテル、バルーン様構造上に実装。切開、静脈開放（通常鼠径部）、静脈経由で心臓へ到達、ケーブルで外部エレクトロニクス接続。心臓内で展開、シース除去で形状形成。またはバルーン内へ生理食塩水注入で適切形状。組織接触するがハードワイヤード。これで十分エネルギー供給。現状、ワイヤレスや電池でそんなエネルギー源知らない。

Tech Briefs： エレクトロポレーションも同じ？

エフィモフ博士： はい、エレクトロポレーションはさらに高エネルギー必要。だがこの手技に植込み型不要。米国だけで年間数十万患者が不整脈適応でアブレーション。薬物通常無効、アブレーションのみ対処法。アブレーションでは電極挿入、患者ベッドで軽鎮静。ケーブル挿入、手技実施、ハードウェア除去、患者帰宅。

別手技も開発中。実は心房/心室細動治療用低エネルギー療法植込みデバイス開発済みだが、アブレーション不使用。低エネルギーパルス列印加で不整脈終止。だが植込みデバイスは患者体内長期留置のため遥かに厳格要件。

Tech Briefs： カテーテル先端バルーン上に多数センサー/アクチュエータ。どう相互接続？

エフィモフ博士： サーペンタイン配線で直接接続可能——柔軟性確保。だがボトルネック生じる。なので各センサー/アクチュエータに独自回路搭載。センサーなら増幅、フィルタリング、多重化回路。アクチュエータなら多重化。高スループットシステムなら多重化必須。将来、数百〜数千センサー/アクチュエータ必要予想、確実に多重化必要。

Tech Briefs： どんなアクチュエータ使用？

エフィモフ博士： この用途では電気のみ——RFアブレーション用も非可逆エレクトロポレーション用も。以前、光用アクチュエータ——光分光法用——可能性論じた。そのデバイスアクチュエータはLEDとフォトダイオード。LEDが特定波長光放出、心臓内分子蛍光励起、フォトダイオードが蛍光回収。心臓内様々細胞プロセス（代謝等）読み出し取得。様々なタイプのセンサー/アクチュエータ存在。

Tech Briefs： 実験動物でテスト済み？

エフィモフ博士： 前プロジェクト（微小電池不要ペースメーカー開発）で、ラット植込み、月単位で機能、長期心刺激デバイスとして実証済み。

Tech Briefs： このデバイスもラットでテスト？

エフィモフ博士： 幾つか設定でテスト。移植不適合で入手した摘出人心臓（地元臓器調達組織から入手、ワシントンDC）。最終目標はヒトテスト。豚でもテスト済み。小動物テスト不可——人間心臓サイズ向け設計のため。

Tech Briefs： 商業化時期の大まかな見込み？

エフィモフ博士： 3-5年が安全な数字。臨床スタートアップにはベンチャーキャピタル必要——次のステップ。

Tech Briefs： 以前の植込み型除細動器研究は？

エフィモフ博士： 目標は除細動必要エネルギー削減。現在植込み型除細動器（胸部植込み、心室不整脈/突然死対応）は生命救済。だが意識ある患者で誤作動時があり、極めて苦痛。胸部へ巨大エネルギー供給。ショック誘発痛で心房細動患者へ使用不可。心房細動患者は意識あり、心室細動突然死状態患者は既に無意識、生死かかわるため痛み問題でない。

除細動戦略変更で無痛化へ取り組んできた。数年間その研究。現在植込み型除細動器技術で臨床試験実施中。

Tech Briefs： 先生の研究が心疾患治療に大きな変化もたらすように見える。

エフィモフ博士： そう思う。ジョン・ロジャーズが材料科学者として長年取り組んできた——生物学的適合性あるエレクトロニクス製造伝統全体を自ら開発：柔軟、伸縮、適合、炎症誘発せず。全てが今、医学多領域で実を結びつつある。私は特に循環器に関心だが、神経学、脳-コンピュータインターフェース、神経損傷患者筋制御等でも研究進行中。バイオエレクトロニクス分野にいるには本当に良い時期。今後10-15年は信じられないほど素晴らしくなる！

例：NIH設立コミュニティSPARCプログラム参加——末梢神経制御で末梢臓器制御し疾患負担軽減/排除へ焦点。交感/副交感神経が全身臓器制御：心臓、肺、胃、腸等。神経制御できれば多くの疾患負担軽減、甚至排除可能。交感/副交感神経刺激・記録可能インターフェース構築中。これも医学多領域で変革的になる。

Tech Briefs： SFのように聞こえる。

エフィモフ博士： 10年前ならSFだった。実は今別助成金申請書執筆中、共同研究者数名と、今や忘れられた「サイボーグ」をタイトルに提案——サイバネティック且つオーガニックだから。

本インタビュー編集版は2020年11月号Tech Briefsに掲載。