无电池、光动力起搏器可以改善心脏病患者的生活质量

起搏器是一种救生设备，可以调节患有心房颤动和其他心律失常等慢性心脏病患者的心跳。然而，起搏器植入是一种侵入性手术，设备提供的挽救生命的起搏可能会非常痛苦。此外，起搏器只能用于治疗少数特定类型的疾病。

在周三发表的一篇论文中 科学进步，由亚利桑那大学领导的研究小组详细介绍了他们设计的无线、无电池起搏器的工作原理，该起搏器可以植入比目前可能的侵入性更小的手术，并会减轻患者的痛苦。该研究由 Gutruf 实验室的研究人员领导，由生物医学工程助理教授和 Craig M. Berge 研究员 Philipp Gutruf 领导。

目前可用的起搏器通过使用钩子或螺钉将一两个导线或接触点植入心脏来工作。如果这些导线上的传感器检测到危险的异常情况，它们就会通过心脏发送电击以重置节拍。

“心脏内的所有细胞同时受到打击，包括疼痛感受器，这就是使起搏或除颤疼痛的原因，”Gutruf 说。 “它会影响整个心肌。”

Gutruf 团队开发的设备尚未在人体中进行过测试，它将允许起搏器使用包含整个心脏的新型数字制造网状设计发送更有针对性的信号。该设备使用光和一种称为光遗传学的技术。

光遗传学修饰对光敏感的细胞，通常是神经元，然后使用光来影响这些细胞的行为。该技术仅针对心肌细胞，即触发收缩并构成心脏跳动的肌肉细胞。这种精度不仅可以通过绕过心脏的疼痛感受器来减轻起搏器患者的疼痛，还可以让起搏器以更适当的方式对不同类型的异常情况做出反应。例如，在心房颤动期间，心脏的上腔和下腔不同步跳动，起搏器的作用是使这两个部分重新对齐。

西北大学生物医学工程和医学教授 Igor Efimov 说：“而现在，我们必须电击整个心脏才能做到这一点，这些新设备可以进行更精确的定位，使除颤更有效，痛苦更小，”设备经过实验室测试的地方。 “这项技术可以让全世界患者的生活更轻松，同时还可以帮助科学家和医生更多地了解如何监测和治疗这种疾病。”

柔韧的网眼包裹着心脏

为了确保光信号可以到达心脏的许多不同部位，该团队创建了一个涉及包围器官的设计，而不是植入提供有限接触点的导线。

新型起搏器模型由四个花瓣状结构组成，这些结构由柔软的薄膜制成，其中包含光源和一个记录电极。花瓣专门设计用于适应心脏在跳动时改变形状的方式，围绕器官的两侧折叠起来包裹它，就像一朵在夜间合拢的花朵。

“目前的起搏器基本上记录一个简单的阈值，它们会告诉你，'这将进入心律失常状态，现在请休克！'”Gutruf 说。 “但是这个设备有一个板载计算机，你可以在其中输入不同的算法，让你以更复杂的方式进行步伐。它是为研究而制作的。”

由于该系统使用光而不是电信号来影响心脏，因此即使起搏器需要除颤，该设备也可以继续记录信息。在目前的起搏器中，除颤产生的电信号会干扰记录功能，使医生无法完整了解心脏病发作情况。此外，该设备不需要电池，这可以使起搏器患者无需每五到七年更换一次设备中的电池，这是目前的常态。

Gutruf 的团队与西北大学的研究人员合作开展了该项目。虽然该设备的当前版本已在动物模型中成功展示，但研究人员期待进一步开展他们的工作，这可以改善数百万人的生活质量。