کوچک‌ترین ضربان ‌ساز قلب جهان که با نور فعال می‌شود.

با پیشرفت فناوری‌های زیست‌پزشکی، امکان توسعه ابزارهای درمانی کم‌تهاجمی و هوشمند فراهم شده است. در این راستا، پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن ضربان ‌ساز بسیار کوچک طراحی کرده‌اند که قابلیت تزریق مستقیم به بدن را دارد و نیاز به جراحی باز را حذف می‌کند. این دستگاه که ابعادی کوچک‌تر از یک دانه برنج دارد، به‌ویژه برای نوزادان با نقایص مادرزادی قلب مناسب است. کنترل این ضربان ‌ساز از طریق یک دستگاه پوشیدنی بی‌سیم انجام می‌شود که در صورت شناسایی ضربان نامنظم، پالس نوری ارسال کرده و به‌صورت غیرتهاجمی، ضربان ‌ساز را فعال می‌سازد. این نوآوری می‌تواند رویکردی نوین و موثر در درمان بیماران قلبی، به‌ویژه نوزادان، فراهم آورد. در مقاله پیش‌رو با این فناوری جدید بیشتر آشنا می‌شویم.

کوچک‌ترین ضربان ‌ساز جهان: نجات‌بخشی موقتی برای قلب‌های کوچک نوزادان

این ضربان ‌ساز برای بیمارانی طراحی شده که تنها به تحریک موقتی قلب نیاز دارند و پس از پایان دوره استفاده، به‌سادگی در بدن حل می‌شود. همه اجزای آن زیست‌سازگار هستند و در مایعات بدن تجزیه می‌شوند. بنابراین نیازی به جراحی برای خارج کردن آن نیست. رهبر تیم سازنده این دستگاه، جان راجرز^[۱] می‌گوید: ((ما چیزی را ساخته‌ایم که تا جایی که می‌دانیم کوچک‌ترین ضربان ‌ساز جهان است. در زمینه جراحی‌های قلبی کودکان، نیاز شدیدی به ضربان ‌سازهای موقتی وجود دارد و در این موارد، کوچک‌سازی دستگاه بسیار حیاتی است. هرچه دستگاه سبک‌تر و کوچک‌تر باشد، برای بدن بهتر است)).

ایگور افیموف^[۲]، متخصص قلب در دانشگاه نورث‌وسترن و یکی از سرپرستان این مطالعه نیز افزود: ((انگیزه اصلی ما کودکان بودند. حدود یک درصد از کودکان با نقص مادرزادی قلبی به دنیا می‌آیند. خبر خوب این است که بیشتر این کودکان پس از عمل جراحی فقط برای چند روز به ضربان ‌ساز نیاز دارند و معمولاً در حدود یک هفته قلب‌شان خودبه‌خود ترمیم می‌شود. اما این چند روز اول حیاتی هستند. اکنون می‌توانیم این ضربان ‌ساز کوچک را روی قلب کودک قرار دهیم و آن را با یک دستگاه نرم و پوشیدنی تحریک کنیم. بدون نیاز به جراحی برای خارج کردن آن)).

ضربان سازهای سابق

لازم به ذکر است که ساخت این ضربان ساز، بر پایه‌ی همکاری پیشین در دانشگاه نورث‌وسترن بنا شده است. که در آن نخستین دستگاه حل‌شونده برای تحریک موقتی قلب را توسعه دادند. بسیاری از بیماران پس از جراحی قلب نیاز به ضربان ‌ساز موقت دارند. برخی نیز برای گذر از دوره انتظار تا دریافت ضربان ‌ساز دائمی، یا برای کمک به بازگشت ضربان طبیعی قلب در دوره‌ی نقاهت به این دستگاه کوچک نیاز خواهند داشت.

در روش‌های متداول فعلی، جراحان، حین جراحی الکترودها را به عضله‌ی قلب می‌دوزند. سیم‌های این الکترودها از جلوی سینه‌ی بیمار بیرون می‌آیند و به جعبه‌ای خارجی متصل می‌شوند که جریان الکتریکی را برای تنظیم ضربان قلب فراهم می‌کند. زمانی که دیگر نیازی به ضربان ‌ساز موقت نباشد، پزشک الکترودها را خارج می‌کند. این فرایند می‌تواند با خطراتی مانند عفونت، جابجایی الکترود، پارگی یا آسیب به بافت‌ها، خونریزی و لخته شدن خون همراه باشد. به گفته‌ی محققان، در مدل‌های قدیمی‌تر زمانی که دیگر نیازی به ضربان‌ساز موقت نیست، پزشک آن را بیرون می‌کشد. اما این سیم‌ها ممکن است در بافت اسکار (جای زخم) گیر کرده باشند و بیرون کشیدن آن‌ها می‌تواند باعث آسیب به عضله‌ی قلب شود.

پاسخ به یک نیاز برآورده‌نشده بالینی

در پاسخ به این نیاز بالینی، این تیم تحقیقاتی، ضربان ‌سازی حل‌شونده‌ای را توسعه دادند که در سال ۲۰۲۱ در ژورنال Nature Biotechnology  معرفی شد. این دستگاه نازک، انعطاف‌پذیر و سبک، نیاز به باتری‌های حجیم و سخت‌افزارهای صلب از جمله سیم‌ها را برطرف کرد. با تغییر ترکیب و ضخامت مواد به‌کاررفته، این تیم می‌تواند دقیقاً زمان عملکرد دستگاه را پیش از حل شدن، کنترل کند

لازم به ذکر است که آزمایشگاه راجرز پیش‌تر مفهوم «داروی الکترونیکی قابل جذب» را معرفی کرده بود. الکترونیکی قابل جذب وسایل الکترونیکی‌ای هستند که فایده درمانی دارند و سپس مانند بخیه‌های جذب‌شونده، بی‌خطر در بدن حل می‌شوند.

باتری ضربان ‌ساز چگونه کار می‌کند؟

اگرچه نمونه‌ی اولیه‌ی ضربان ‌ساز حل‌شونده به‌اندازه یک سکه‌ی ۲۵ سنتی، در مطالعات پیش‌بالینی حیوانی به‌خوبی عمل می‌کرد، اما جراحان قلب پرسیدند آیا امکان کوچک‌تر کردن این دستگاه وجود دارد یا نه.

کوچک‌تر شدن دستگاه، امکان کاشت غیرتهاجمی‌تر را فراهم می‌کرد و برای نوزادان مناسب‌تر می‌شد. با این حال، این ضربان ‌ساز با استفاده از پروتکل‌های ارتباط میدان نزدیک (^[۳]NFC) کار می‌کرد. یعنی همان فناوری که در پرداخت‌های موبایلی و تگ‌های^[۴] RFID استفاده می‌شود. پس به وجود یک آنتن داخلی نیاز داشت.

 به گفته‌ی این تیم، ضربان ‌ساز اولیه‌ی عملکرد خوبی داشت؛ نازک، انعطاف‌پذیر و کاملاً جذب‌شونده بود. اما اندازه‌ی آنتن گیرنده‌ی آن، ما را در کوچک‌سازی محدود می‌کرد. بنابریان به‌جای استفاده از طرح رادیوفرکانسی برای کنترل بی‌سیم، ما از یک روش مبتنی بر نور استفاده کردیم تا ضربان ‌ساز را فعال و پالس‌های تحریک را به سطح قلب منتقل کنیم. این یکی از ویژگی‌هایی بود که به ما امکان داد اندازه‌ی دستگاه را به‌طور چشمگیری کاهش دهیم.

کوچک‌سازی هرچه بیشتر ضربان ‌ساز

 برای کوچک‌سازی بیشتر، پژوهشگران منبع تغذیه‌ی دستگاه را نیز بازطراحی کردند. به‌جای استفاده از انرژی بی‌سیم از طریق NFC، ضربان ‌ساز جدید و بسیار کوچک با استفاده از یک سلول گالوانیکی ^[۵] کار می‌کند. نوعی باتری ساده که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

این ضربان ‌ساز با بهره‌گیری از دو فلز متفاوت به‌عنوان الکترود، پالس‌های الکتریکی را به قلب می‌فرستد. زمانی که دستگاه با مایعات بدن تماس پیدا می‌کند، این الکترودها با تشکیل یک باتری، واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌کنند که باعث جاری شدن جریان الکتریکی برای تحریک قلب می‌شود. در واقع، وقتی ضربان ‌ساز در بدن کاشته می‌شود، مایعات اطراف بدن نقش الکترولیت رسانا را ایفا می‌کنند و این دو الکترود فلزی را به‌طور الکتریکی به هم وصل می‌کنند تا باتری تشکیل شود. یک کلید بسیار کوچک نوری در طرف مقابل باتری تعبیه شده که با دریافت نور از پچ نصب‌شده روی پوست، دستگاه را از حالت خاموش به روشن تغییر می‌دهد.

شیوه پالس‌دهی ضربان ‌ساز با نور

تیم تحقیقاتی از طول موج نور مادون قرمز استفاده کرد که به‌طور عمیق و ایمن به داخل بدن نفوذ می‌کند. اگر ضربان قلب بیمار از حد مشخصی پایین‌تر بیاید، دستگاه پوشیدنی این تغییر را تشخیص می‌دهد و به‌طور خودکار یک دیود ساطع‌کننده نور (^[۶]LED) را فعال می‌کند. سپس نور به‌صورت پالس روشن و خاموش می‌شود به‌نحوی که با ضربان قلب طبیعی هم‌خوانی دارد. به گفته این تیم تحقیقاتی، نور مادون قرمز خیلی خوب از بدن عبور می‌کند. اگر یک چراغ قوه را روی کف دست خود بگذارید، خواهید دید که نور از سمت دیگر دست شما می‌تابد. به‌طور کلی، بدن انسان هدایت‌کننده‌های خوبی برای نور هستند.

اگرچه ضربان ‌ساز بسیار کوچک است. (۱.۸ میلی‌متر عرض، ۳.۵ میلی‌متر طول و ۱ میلی‌متر ضخامت) ولی همچنان همان میزان تحریک را مانند یک ضربان ‌ساز کامل به قلب منتقل می‌کند. قلب تنها به مقدار کمی تحریک الکتریکی نیاز دارد. با کوچک‌سازی اندازه دستگاه، فرایندهای کاشت را به‌طور چشمگیری ساده شده، آسیب و خطرات را برای بیمار کاهش یافته و با قابلیت حل‌شدن دستگاه، نیازی به جراحی ثانویه برای خارج کردن آن نیست.

هم‌زمان‌سازی پیچیده‌تر با ضربان ‌ساز کوچک

به دلیل اندازه‌ی بسیار کوچک دستگاه‌ها، پزشکان می‌توانند مجموعه‌ای از آن‌ها را در نقاط مختلف قلب توزیع کنند. نور با رنگ خاصی می‌تواند برای کنترل مستقل هر ضربان ‌ساز مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از چندین ضربان ‌ساز به این روش، هم‌زمان‌سازی پیچیده‌تری را نسبت به روش‌های سنتی فراهم می‌آورد. در موارد خاص، می‌توان نواحی مختلف قلب را با ضربان‌های مختلف تحریک کرد، برای مثال، برای خاتمه دادن به آریتمی‌ها. در واقع تیم پزشکی می‌توانند تعداد زیادی از این ضربان ‌سازهای کوچک را روی سطح قلب قرار دهند و هرکدام را کنترل کنند. به این ترتیب مراقبت عملکردی هم‌زمان‌شده بهتری به دست می‌آید. همچنین می‌توان ضربان ‌سازها را در دیگر دستگاه‌های پزشکی مانند تعویض‌های دریچه‌ی قلب گنجاند و از آن‌ها استفاده کرد. در واقع این ضربان ساز به دلیل ابعاد کوچک، می‌تواند با تقریباً هر نوع دستگاه قابل کاشت دیگری یکپارچه شود.  تنوع این فناوری امکانات گسترده‌ای را برای استفاده در داروهای زیست‌الکترونیکی باز می‌کند، از جمله کمک به بهبود اعصاب و استخوان‌ها، درمان زخم‌ها و مسدود کردن درد.

سخن پایانی

این مقاله به بررسی پیشرفت‌های اخیر در توسعه ضربان ‌سازهای میکروسکوپی و حل‌شونده پرداخته که با استفاده از نور مادون قرمز و باتری‌های مبتنی بر مایعات بدن، امکان درمان‌های دقیق‌تر و کمتر تهاجمی را فراهم می‌آورد. این ضربان ‌سازها به‌طور مستقل می‌توانند در نواحی مختلف قلب قرار گیرند و به‌طور هم‌زمان فعالیت‌های قلبی را هماهنگ کنند. به‌ویژه در درمان آریتمی‌ها و اختلالات ضربان قلب. با توجه به اندازه‌ی کوچک و قابلیت حل‌شدن این دستگاه‌ها، نیاز به جراحی‌های اضافی برای خارج کردن آن‌ها از بین می‌رود و خطرات مربوط به عوارض جراحی به‌شدت کاهش می‌یابد. این فناوری نه تنها در درمان بیماری‌های قلبی، بلکه در کاربردهای دیگر پزشکی مانند بهبود زخم‌ها، درمان درد و تسریع فرآیند بهبودی استخوان‌ها و اعصاب نیز پتانسیل‌های فراوانی دارد.

واژه نامه