Engenheiros do MIT desenvolveram um marcapasso não invasivo que estimula o coração usando ultrassom. O projeto poderá, um dia, oferecer uma alternativa sem cirurgia aos implantes cardíacos tradicionais.

O novo dispositivo foi projetado como um pequeno adesivo que pode ser usado no peito. Minúsculos transdutores no adesivo enviam pulsos de ultrassom através do peito para estimular o coração. As ondas de ultrassom desencadeiam a abertura de certos canais iônicos nas células cardíacas, um efeito que os pesquisadores amplificaram por meio de engenharia genética. Quando os canais se abrem, permitem a entrada de cálcio, o que sinaliza para a célula cardíaca se contrair e bater. 

Em experimentos de laboratório, os pesquisadores aplicaram ondas de ultrassom em células cardíacas humanas geneticamente modificadas e descobriram que os pulsos mantinham as contrações saudáveis das células de forma eficaz. Eles também testaram o adesivo de ultrassom em ratos e constataram que o dispositivo corrigia arritmias de forma rápida, segura e não invasiva, além de restaurar as contrações cardíacas normais e regulares. 

A equipe fabricou um protótipo que inclui o adesivo de ultrassom (aproximadamente do tamanho de um selo postal) e um pequeno dispositivo de bolso contendo baterias e componentes eletrônicos. O mesmo grupo já havia demonstrado um design de adesivo que utiliza  ultrassom para gerar imagens de órgãos e tecidos profundos . Agora, eles planejam combinar as duas abordagens em um único adesivo de ultrassom para monitorar e regular simultaneamente a atividade cardíaca. 

“Acreditamos que um dia poderemos ter adesivos no corpo capazes de realizar imagens de longo prazo em camadas profundas do organismo e também de estimular o organismo para efeitos terapêuticos, de forma não invasiva e em circuito fechado”, afirma Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e de engenharia civil e ambiental do MIT.

Zhao e seus colegas, juntamente com colaboradores do grupo da Professora Qifa Zhou na Universidade do Sul da Califórnia (USC), publicaram seus resultados em um estudo que foi publicado nesta terça-feira (2), na revista Nature Biomedical Engineering . Os coautores do estudo, do MIT, incluem o primeiro autor Chen Gong, juntamente com Runze Li, Won Jun Song e os ex-pós-doutorandos Gengxi Lu, Shucong Li e Hsiao-Chuan Liu. Outros colaboradores incluem pesquisadores da Universidade de Harvard, da Universidade da Califórnia em Los Angeles e de outros grupos da USC.

Atualmente, cerca de 3 milhões de adultos nos Estados Unidos vivem com marca-passos. Esses pequenos dispositivos, alimentados por bateria, são implantados cirurgicamente no peito da pessoa e atuam enviando impulsos elétricos para regular a frequência cardíaca. Os marca-passos implantáveis são um tratamento médico bem estabelecido e geralmente seguro, embora apresentem riscos.

“Os marcapassos são um dos implantes humanos mais importantes e amplamente utilizados, e salvaram milhões de vidas”, afirma Gengxi Lu, coautor correspondente do artigo. “Mas são invasivos e fazem contato direto com o coração em atividade. O sonho de muitos anos tem sido a estimulação cardíaca não invasiva por ultrassom.” 

O ultrassom engloba uma gama de ondas acústicas que penetram no corpo com segurança. As ondas de ultrassom refletem e ressoam nas estruturas de maneiras características, permitindo que os técnicos visualizem e obtenham imagens de órgãos e tecidos internos. O ultrassom também pode ser direcionado e focalizado para estimular certos efeitos terapêuticos, por exemplo, no cérebro, onde os cientistas estão explorando o uso do ultrassom para tratar a doença de Parkinson, Alzheimer e outros distúrbios cerebrais. 

Os cientistas também descobriram que o ultrassom pode beneficiar o coração. Estudos anteriores em animais mostraram que o ultrassom focalizado pode ativar as células cardíacas de forma segura, embora o efeito tenha sido inconsistente e fraco. 

Zhao e seus colegas buscaram ampliar os efeitos do ultrassom no coração. Em seu novo estudo, eles aplicaram a sonogenética, uma abordagem relativamente nova que se inspira na optogenética — uma técnica que envolve a manipulação genética de partes específicas de uma célula para que respondam à luz. De forma semelhante, a sonogenética visa modificar geneticamente as células para que respondam ao som, incluindo o ultrassom. 

Em seu trabalho para desenvolver um marcapasso ultrassônico, a equipe buscou inicialmente aumentar a sensibilidade das células cardíacas ao ultrassom por meio da sonogenética. No laboratório, eles utilizaram práticas padrão para obter células cardíacas a partir de células-tronco embrionárias e, em seguida, introduziram uma alteração genética nessas células que aumentou sua sensibilidade ao ultrassom. Especificamente, a manipulação produziu canais iônicos que se abriam mais facilmente em resposta ao ultrassom. 

“Esses canais agora conseguem 'ouvir' melhor o ultrassom e se abrir para permitir a entrada de cálcio, que é o que ativa diretamente a célula e a faz bater”, explica Chen Gong, primeiro autor do artigo. 

Em experimentos com células cardíacas geneticamente modificadas por ultrassom, os pesquisadores descobriram que, quando expostas ao ultrassom, as células batiam em sincronia com as ondas, ao contrário das células que não foram geneticamente manipuladas. 

Em qualquer aplicação clínica de um marca-passo ultrassônico, a equipe prevê que o paciente possa receber inicialmente uma injeção única, semelhante a uma vacina, que atuaria para aumentar geneticamente a sensibilidade das células cardíacas às ondas ultrassônicas do marca-passo. A injeção seria uma forma de terapia gênica — um tratamento atualmente aprovado pelo FDA para tratar certas doenças hereditárias, como anemia falciforme e distrofia muscular espinhal.

A equipe então projetou o núcleo do marcapasso ultrassônico, na forma de um adesivo do tamanho de um selo postal com minúsculos transdutores de ultrassom embutidos. A parte adesiva do dispositivo é feita de um material de hidrogel que o grupo de Zhao aprimorou ao longo dos anos para aderir fortemente à pele e a diversos tipos de materiais, permitindo também a passagem de ondas ultrassônicas sem enfraquecimento. Os transdutores dentro do adesivo podem ser ajustados para gerar ondas ultrassônicas em frequências específicas. 

Em experimentos com ratos, os pesquisadores primeiro administraram uma solução sonogênica, que amplificava o ultrassom, através de suas caudas. Em seguida, fixaram uma versão em miniatura do marcapasso no peito dos ratos. Ao ligarem os adesivos, observaram que o ultrassom rapidamente regulou os batimentos cardíacos dos animais. Alguns indivíduos com frequência cardíaca baixa tiveram seus batimentos normalizados, enquanto outros com batimentos cardíacos irregulares foram estabilizados, mantendo-se em sincronia com os "tiques" do ultrassom.

“Agora podemos usar ultrassom de baixa intensidade para abrir canais iônicos nas células e obter um marca-passo cardíaco muito eficaz”, diz Gong. “Estamos produzindo esses adesivos em formatos menores e mais integrados, para que sejam mais fáceis de usar, mais estáveis e mais precisos a longo prazo.”

“Neste artigo, demonstramos a criação de marca-passos não invasivos. No entanto, acreditamos que esse conceito pode ser útil além do coração”, diz Zhao. “Acreditamos que um dia poderemos ter adesivos em diferentes partes do corpo que permitirão realizar imagens de longo prazo, monitoramento e estimulação terapêutica em circuito fechado.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação Nacional de Ciência, pelo Departamento de Oftalmologia da organização Research to Prevent Blindness e pelo Departamento de Guerra dos EUA.