Los marcapasos eléctricos implantables salvan millones de vidas en todo el mundo, pero no son perfectos. Un estudio muestra que el uso de la luz para regular los latidos del corazón podría ser una mejor opción que las estrategias existentes. Dice Igor R. Efimov que la vida comienza con un latido del corazón y termina con el último latido. Este ritmo regular es establecido por el marcapasos natural del cuerpo: un conjunto de células conocido como nódulo sinusal. Cuando este ganglio falla, los cardiólogos pueden implantar un marcapasos eléctrico para estimular el corazón de una persona a un ritmo normal. Pero los marcapasos estándar funcionan con baterías electroquímicas que tienen una vida útil limitada, y los dispositivos son propensos a fallar debido a la interferencia de campos electromagnéticos externos. En un artículo publicado en Nature, Pengju Li y colegas de la Universidad de Chicago presentan una técnica que utiliza la energía de la luz para estimular el corazón, lo que podría ofrecer una solución a estos problemas.
El músculo cardíaco está formado por células que interactúan a través de sistemas de señalización química, mecánica y eléctrica. El acoplamiento eléctrico permite que todo el músculo se excite al permitir que una señal eléctrica se propague rápidamente desde un solo punto de estimulación. Los otros tipos de acoplamiento han servido de inspiración para alternativas al marcapasos eléctrico estándar. Los investigadores han investigado la posibilidad de dirigirse a proteínas específicas que puedan transmitir la señal requerida mecánicamente o a través de cambios de temperatura o luz. Estos sensores podrían activarse de forma no invasiva mediante luz o ultrasonidos. Sin embargo, a pesar de los considerables esfuerzos, estos enfoques aún no han producido terapias clínicamente viables. Un obstáculo es que tanto los sensores moleculares naturales como los modificados genéticamente no son lo suficientemente sensibles. Otro problema es que los dispositivos existentes no son lo suficientemente sofisticados como para interactuar bien con el tejido humano. También ha resultado difícil lograr una entrega dirigida y estable de los sensores moleculares modificados genéticamente al corazón. Una táctica alternativa consiste en implantar dispositivos fotoelectroquímicos biocompatibles, que convierten la energía de la luz en corriente eléctrica. Hace más de una década, se propuso un dispositivo fotoelectroquímico basado en silicio como prótesis para personas con retinas dañadas. Los miembros del mismo grupo de investigación de Li et al. elaboraron entonces un conjunto de principios de diseño para la interconexión de estos dispositivos con diversas dianas biológicas.
La estimulación eléctrica basada en electrodos es la base de varios dispositivos bioelectrónicos clínicos, incluidos los estimuladores cerebrales profundos y los marcapasos cardíacos. Sin embargo, la estimulación multisitio sin cables se ve limitada por las dificultades técnicas y las limitaciones de acceso espacial de las guías de electrodos. La optogenética ofrece acceso aleatorio controlado ópticamente con altas capacidades espacio-temporales, pero la traslación clínica plantea desafíos. Li y colaboradores muestran la fotoestimulación espaciotemporal sintonizable de sistemas cardíacos utilizando una plataforma no genética basada en interfaces de biomodulación habilitadas por semiconductores. A través del perfilado espacio-temporal de las corrientes fotoelectroquímicas, evaluaron magnitud, precisión, exactitud y resolución de la fotoestimulación en cuatro dispositivos fotoelectroquímicos monolíticos basados en silicio sin plomo. Demostraron las capacidades optoelectrónicas de los dispositivos a través de la estimulación óptica de cardiomiocitos (CM) cultivados dirigidos a varias regiones y extensiones espaciales, corazones de rata aislados en un aparato de Langendorff, corazones de rata in vivo en un modelo de isquemia y un modelo de corazón de ratón in vivo con estimulación óptica transtorácica. También realizaron la primera estimulación de anulación óptica y la estimulación multisitio de un corazón de cerdo in vivo. Estos sistemas son fácilmente adaptables para procedimientos clínicos mínimamente invasivos utilizando un dispositivo de administración endoscópica personalizado. Estos resultados indican el potencial clínico de la plataforma de fotoestimulación sin cables, ligera y multisitio como marcapasos en la terapia de resincronización cardíaca (TRC), en la que las complicaciones de la colocación de electrodos son comunes.
Li, P., Zhang, J., Hayashi, H. et al. Monolithic silicon for high spatiotemporal translational photostimulation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07016-9