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Un inventore nel cuore
Ispirato dalle lezioni apprese al MIT, Ronald Berger '81 sta cercando di perfezionare un metodo indolore per prevenire l'arresto cardiaco. 21 febbraio 2012
Al Boston Museum of Science, il pubblico si riunisce attorno al generatore Van de Graaff per osservare due milioni di volt che scoppiettano tra due sfere metalliche gemelle mentre l'operatore, che si trova nelle vicinanze all'interno di una semplice gabbia, rimane inalterato. Questo spettacolo di fulmini mostra una gabbia di Faraday, un recinto che impedisce alle cariche elettriche di entrare o uscire. Nel 1999, quando Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87, portò i suoi figli allo spettacolo di Boston, non era solo per divertimento. Era nel bel mezzo di un complotto per inserire una gabbia di Faraday attorno al cuore umano.
Se Berger riuscirà a farlo funzionare, il suo dispositivo migliorerà le condizioni dei pazienti con problemi cardiaci. L'arresto cardiaco improvviso, una delle principali cause di morte, deriva da una grave aritmia chiamata fibrillazione ventricolare. In questa emergenza, l'unico modo per ripristinare il ritmo normale è con un defibrillatore, che eroga una scarica di centinaia o migliaia di volt. Per più di tre decenni, i pazienti considerati a rischio di infarto sono stati in grado di installare un defibrillatore cardiaco interno (ICD) sotto la pelle per rilevare i battiti cardiaci irregolari. Un filo che passa dall'ICD al cuore attraverso una vena eroga gli shock secondo necessità. Tuttavia, gli shock sono dolorosi e i pazienti spesso vivono nel terrore di essi o scelgono di rinunciare al trattamento a causa loro. È un problema importante, dice Berger. Sono stato molto interessato a rendere la defibrillazione indolore. E una specie di gabbia di Faraday potrebbe essere la risposta.
Berger, che è co-direttore dell'elettrofisiologia cardiaca presso la Johns Hopkins, ha conseguito tre lauree al MIT in ingegneria elettrica e informatica e poi ha completato il suo dottorato di ricerca presso la divisione di scienze e tecnologie della salute di Harvard-MIT nel 1987. Rispecchiando la sua formazione, è sia ingegnere e medico. Più specificamente, è un elettrofisiologo cardiaco, uno che capisce che possiamo effettivamente ingannare Madre Natura e interrompere la propagazione dell'impulso [elettrico] nei cuori, come dice lui. Berger trascorre il 75% del suo tempo alla Johns Hopkins insegnando, fungendo da amministratore e eseguendo procedure per calmare la disfunzione elettrica cardiaca o l'aritmia. Il resto del tempo, ricerca e inventa.
Berger ha sempre inventato. Per la sua tesi di laurea al MIT, ha progettato un nuovo modo per dirigere e deviare i raggi laser attraverso i cristalli. Il risultato, ricorda il suo relatore di tesi, il professore EECS Cardinal Warde, è stata una delle migliori tesi di laurea mai fatte nel mio laboratorio. Poco dopo che Berger incontrò il suo migliore amico, Joseph Smith, SM '82, PhD '85, nel laboratorio dell'ingegnere biomedico del MIT Richard Cohen nel 1980, trasformarono un televisore portatile in bianco e nero in una macchina ECG in grado di leggere il cuore attività elettrica sulla superficie del corpo. Oggi Berger ha ottenuto 25 brevetti per metodi e apparecchiature cardiologiche.
Quindici anni fa, Berger si è fissato sul dolore che gli shock dell'ICD provocavano ai suoi pazienti. Sapeva che il dolore non veniva dal cuore. L'organo stesso ha così poca capacità di percepire il dolore che i pazienti possono rimanere svegli mentre i cardiologi eseguono l'ablazione, bruciando il tessuto cardiaco cronicamente malfunzionante con un filo che è stato fatto scorrere attraverso un vaso sanguigno. Così Berger ha concluso che gli impulsi elettrici dall'ICD devono fuoriuscire mentre i nervi e i muscoli della parete toracica si attivano.
Qualcosa è scattato. Mi sono detto, non sarebbe bello se ci fosse un modo per mantenere l'attività elettrica confinata al cuore? dice Berger. Fu allora che gli venne in mente una lezione sulla gabbia di Faraday dell'8.022, Elettricità e magnetismo, una lezione che aveva seguito con il professor Claude Canizares nel 1977. Berger si chiese se fosse possibile rinfoderare il cuore all'interno di una gabbia di Faraday per contenere un shock che ha fermato l'aritmia.
Un problema, tuttavia, è che una gabbia di Faraday intorno al cuore non manterrebbe solo l'elettricità confinata al cuore; bloccherebbe anche l'ingresso di elettricità da un'altra fonte. Ciò significava che i pazienti non sarebbero stati in grado di ottenere una defibrillazione esterna di emergenza se la loro insufficienza cardiaca fosse stata abbastanza grave da richiedere uno shock maggiore. Per far fronte a ciò, Berger iniziò a pensare a una configurazione di pannelli metallici che non sarebbero stati del tutto contigui. Sarebbero semplicemente abbastanza vicini da fungere da gabbia di Faraday quando l'elettricità li attraversasse. Ricorda che un ricercatore ha menzionato l'idea a sua moglie, che ha suggerito di cucire la rete metallica in una calza di nylon. Ha anche prodotto un prototipo. Era una gabbia di Faraday o, più precisamente, un calzino di Faraday.
Elettro-shock: Il prototipo di calzino cardiaco di Ronald Berger è costituito da più elettrodi flessibili che sono uniti elettricamente per fungere da gabbia di Faraday. La gabbia di Faraday impedisce la dispersione del campo elettrico ai tessuti circostanti, riducendo il dolore causato dallo shock di un defibrillatore impiantato.
In pratica, il calzino si adatterebbe al cuore e fungerebbe da elettrodo del circuito di erogazione della scarica; quando un sensore collegato rilevava un'attività cardiaca anormale, una bobina elettrica impiantata all'interno del cuore forniva la scossa. Nel 2005, quando Berger e il suo team di ricerca hanno testato il prototipo nei cani, il dispositivo ha ripristinato il battito cardiaco utilizzando meno energia di un ICD standard. Ancora più importante, i muscoli del torace dei cani si sono contratti molto meno, il che significa che meno elettricità fuoriusciva e causava dolore.
I colleghi di Berger e Johns Hopkins hanno perfezionato il design nell'ultimo anno, utilizzando modelli matematici per trovare la spaziatura ottimale per i pannelli. Nella versione più recente, i pannelli si uniscono elettricamente in uno scudo contiguo e fungono da gabbia di Faraday solo nei 10 millisecondi che precedono e durante il momento in cui viene erogata la scossa.
Nonostante i progressi, alcuni esperti cardiaci mettono in dubbio il potenziale del calzino. Il bioingegnere Igor Efimov della Washington University di St. Louis sottolinea che coprire il cuore con la rete richiederebbe un importante intervento chirurgico a torace aperto. Chi accetterebbe un intervento così drammatico con benefici clinici poco chiari? lui dice. Prevede anche che il tessuto cicatriziale incrosterà le lamelle del filo del dispositivo e impedirà loro di aprirsi. A meno che non ci sia una svolta nei biomateriali, non penso che potrebbe essere usato, dice. Berger è d'accordo sul fatto che il tessuto cicatriziale potrebbe essere un problema, ma spera che la sua invenzione possa funzionare. Nota che le aziende private hanno già inventato calze in rete elastica per ridurre lo stress del muscolo cardiaco nei pazienti con insufficienza cardiaca. Berger suggerisce che la sua gabbia di Faraday potrebbe essere incorporata in uno di quei calzini. I cardiopatici che hanno già bisogno di un intervento chirurgico invasivo per impiantare il calzino potrebbero ottenere una soluzione due per uno.
Berger e il suo amico Smith, che ora è direttore medico del West Wireless Health Institute, hanno trascorso molte notti a Baltimora discutendo del calzino di Faraday e di come Berger potrebbe portarlo a compimento. È una di quelle cose che derivano solo da un brillante ingegnere che è in grado di comprendere il problema da una prospettiva fisica ma anche di vedere le applicazioni cliniche, afferma Smith.
Questi due talenti complementari iniziarono a fondersi non molto tempo dopo che Berger iniziò a lavorare al MIT nel 1976. Un giorno, entrò nell'ufficio del suo consigliere, George W. Pratt, e notò un grande dipinto di un cavallo. Rimase perplesso fino a quando Pratt, un appassionato di corse di cavalli, iniziò a disegnare diagrammi con il gesso di resistori elettrici e condensatori per modellare il sistema sanguigno equino; il cuore si comportava come una batteria ei vasi sanguigni come un condensatore carico. Per Berger, queste lezioni sono ancora una rivelazione 35 anni dopo. Dice: È una cosa incredibile: i principi dell'ingegneria elettrica sono alla base del modo in cui un impulso nativo nel cuore passa da una cellula all'altra.
Oggi Berger sta cercando di migliorare la defibrillazione proprio nel luogo in cui è nata la tecnica. Nel 1933, una società elettrica di New York finanziò gli sforzi dei ricercatori della Johns Hopkins per trovare soluzioni ai frequenti incidenti di elettrocuzione dell'epoca; dopo aver studiato cosa succede quando il ritmo del cuore è fuori rotta, questi uomini sono stati i primi a far smettere di fibrillare il cuore di un cane. I medici di Hopkins hanno impiantato il primo ICD in un paziente nel 1980.
Ma sebbene la tecnologia abbia le sue radici nella clinica Johns Hopkins, Berger dice che la sua mente torna al MIT ogni giorno. Dico sempre che eseguire l'ablazione mi ricorda molto il mio corso di laurea 6.082, in cui spostavamo la sonda da un punto all'altro all'interno di un circuito per eseguirne il debug, dice. Pensa a quei progetti di laboratorio ogni volta che sposta la punta del catetere nel punto giusto nel cuore di un paziente e osserva l'aritmia scomparire mentre eroga l'ustione.