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Un inventor de corazón
Inspirado por las lecciones que aprendió en el MIT, Ronald Berger '81 está tratando de perfeccionar un método indoloro para prevenir un paro cardíaco. 21 de febrero de 2012
En el Museo de Ciencias de Boston, el público se reúne alrededor del generador Van de Graaff para ver cómo dos millones de voltios crepitan entre esferas de metal gemelas mientras el operador, que se encuentra cerca dentro de una jaula simple, no se ve afectado. Este espectáculo de rayos muestra una jaula de Faraday, un recinto que evita que las cargas eléctricas entren o salgan. En 1999, cuando Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87, llevó a sus hijos al espectáculo de Boston, no fue solo por diversión. Estaba en medio de un complot para encajar una jaula de Faraday alrededor del corazón humano.
Si Berger puede hacer que funcione, su dispositivo mejorará las condiciones de los pacientes con problemas cardíacos. El paro cardíaco repentino, una de las principales causas de muerte, es el resultado de una arritmia grave llamada fibrilación ventricular. En esta emergencia, la única forma de restaurar el ritmo normal es con un desfibrilador, que produce un golpe de cientos o miles de voltios. Durante más de tres décadas, los pacientes considerados en riesgo de ataques cardíacos han podido instalar un desfibrilador cardíaco interno (ICD) debajo de la piel para detectar latidos cardíacos irregulares. Un cable que pasa del ICD al corazón a través de una vena administra descargas según sea necesario. Sin embargo, los choques son dolorosos y los pacientes a menudo les temen o eligen renunciar al tratamiento debido a ellos. Es un problema importante, dice Berger. Me ha interesado mucho hacer que la desfibrilación sea indolora. Y un tipo de jaula de Faraday podría ser la respuesta.
Berger, que es codirector de electrofisiología cardíaca en Johns Hopkins, obtuvo tres títulos del MIT en ingeniería eléctrica e informática y luego completó su doctorado en medicina a través de la División de Ciencias de la Salud y Tecnología de Harvard-MIT en 1987. Reflejando su educación, él es a la vez ingeniero y doctor. Más específicamente, es un electrofisiólogo cardíaco, alguien que entiende que en realidad podemos engañar a la madre naturaleza e interrumpir la propagación del impulso [eléctrico] en los corazones, como él dice. Berger pasa el 75 por ciento de su tiempo en Johns Hopkins enseñando, sirviendo como administrador y realizando procedimientos para calmar la disfunción eléctrica cardíaca o arritmia. El resto del tiempo, investiga e inventa.
Berger siempre lo ha inventado. Para su tesis de pregrado en el MIT, diseñó una nueva forma de dirigir y desviar rayos láser a través de cristales. El resultado, recuerda su asesor de tesis, el profesor de EECS Cardinal Warde, fue una de las mejores tesis de pregrado jamás hechas en mi laboratorio. Poco después de que Berger conociera a su mejor amigo, Joseph Smith, SM '82, PhD '85, en el laboratorio del ingeniero biomédico del MIT Richard Cohen en 1980, convirtieron un televisor de mano en blanco y negro en un electrocardiógrafo capaz de leer los latidos del corazón. actividad eléctrica en la superficie del cuerpo. En la actualidad, Berger ha obtenido 25 patentes para métodos y equipos de cardiología.
Hace quince años, Berger se obsesionó con el dolor que las descargas de ICD causaban a sus pacientes. Sabía que el dolor no venía del corazón. El órgano en sí tiene tan poca capacidad para la sensación de dolor que los pacientes pueden permanecer completamente despiertos mientras los cardiólogos realizan la ablación, quemando el tejido cardíaco que funciona mal crónicamente con un cable que se ha deslizado a través de un vaso sanguíneo. Entonces Berger concluyó que los pulsos eléctricos del ICD deben filtrarse a medida que se activan los nervios y los músculos de la pared torácica.
Algo hizo clic. Me dije a mí mismo, ¿no sería genial si hubiera una manera de mantener la actividad eléctrica confinada al corazón? Dice Berger. Fue entonces cuando le recordó una lección sobre la jaula de Faraday de 8.022, Electricidad y magnetismo, una clase que había tomado con el profesor Claude Canizares en 1977. Berger se preguntó si sería posible envainar el corazón dentro de una jaula de Faraday para contener un shock que detuvo la arritmia.
Sin embargo, un problema es que una jaula de Faraday alrededor del corazón no solo mantendría la electricidad confinada al corazón; también bloquearía la entrada de electricidad de otra fuente. Esto significaba que los pacientes no podrían recibir una desfibrilación externa de emergencia si su insuficiencia cardíaca fuera lo suficientemente extrema como para requerir una descarga mayor. Para lidiar con eso, Berger comenzó a pensar en una configuración de paneles metálicos que no serían completamente contiguos. Simplemente estarían lo suficientemente cerca para actuar como una jaula de Faraday cuando la electricidad pasara a través de ellos. Recuerda que un investigador le mencionó la idea a su esposa, quien sugirió coser la malla metálica en una media de nailon. Incluso produjo un prototipo. Era una jaula de Faraday o, más exactamente, un calcetín de Faraday.
Descarga eléctrica: El prototipo de calcetín cardíaco de Ronald Berger está hecho de múltiples electrodos flexibles que se unen eléctricamente para actuar como una jaula de Faraday. La jaula de Faraday evita la fuga del campo eléctrico a los tejidos circundantes, reduciendo el dolor causado por la descarga de un desfibrilador implantado.
En la práctica, el calcetín encajaría alrededor del corazón y serviría como un electrodo del circuito de descarga; cuando un sensor adjunto detectaba una actividad cardíaca anormal, una bobina eléctrica implantada dentro del corazón daría la sacudida. En 2005, cuando Berger y su equipo de investigación probaron el prototipo en perros, el dispositivo restableció los latidos del corazón usando menos energía que un ICD estándar. Lo más importante es que los músculos del pecho de los perros se contrajeron mucho menos, lo que significa que se filtraba menos electricidad y causaba dolor.
Los colegas de Berger y Johns Hopkins han refinado el diseño el año pasado, utilizando modelos matemáticos para encontrar el espacio óptimo para los paneles. En la versión más reciente, los paneles se unen eléctricamente en un escudo contiguo y actúan como una jaula de Faraday solo en los 10 milisegundos justo antes y durante el momento en que se administra el choque.
A pesar del progreso, algunos expertos cardíacos cuestionan el potencial del calcetín. El bioingeniero Igor Efimov de la Universidad de Washington en St. Louis señala que cubrir el corazón con la malla requeriría una cirugía mayor a tórax abierto. ¿Quién estaría de acuerdo con una cirugía tan espectacular con beneficios clínicos poco claros? él dice. También predice que el tejido cicatricial incrustaría los listones de alambre del dispositivo y evitaría que se abran. A menos que haya un gran avance en biomateriales, no creo que se pueda utilizar, dice. Berger está de acuerdo en que el tejido cicatricial podría ser un problema, pero tiene la esperanza de que su invento funcione. Señala que las empresas privadas ya han inventado calcetines hechos de malla elástica para reducir el estrés del músculo cardíaco en pacientes con insuficiencia cardíaca. Berger sugiere que su jaula de Faraday podría estar incorporada en uno de esos calcetines. Los pacientes cardíacos que ya necesitan una cirugía invasiva para implantar el calcetín podrían obtener una solución dos por uno.
Berger y su amigo Smith, que ahora es director médico del West Wireless Health Institute, han pasado muchas noches en Baltimore discutiendo el calcetín de Faraday y cómo Berger podría llevarlo a cabo. Es una de esas cosas que solo proviene de un ingeniero brillante que puede comprender el problema desde una perspectiva física, pero también ver las aplicaciones clínicas, dice Smith.
Estos dos talentos complementarios comenzaron a fusionarse poco después de que Berger comenzara en el MIT en 1976. Un día, entró en la oficina de su asesor, George W. Pratt, y vio un gran cuadro de un caballo. Estaba perplejo hasta que Pratt, un entusiasta de las carreras de caballos, comenzó a dibujar diagramas de tiza de resistencias eléctricas y capacitores para modelar el sistema sanguíneo equino; el corazón actuaba como una batería y los vasos sanguíneos como un condensador cargado. Para Berger, estas lecciones siguen siendo una revelación 35 años después. Dice: Es algo asombroso: los principios de la ingeniería eléctrica son la base de cómo un impulso nativo del corazón pasa de una célula a la siguiente.
Hoy Berger está tratando de mejorar la desfibrilación en el mismo lugar donde nació la técnica. En 1933, una compañía eléctrica de Nueva York financió los esfuerzos de los investigadores de Johns Hopkins para encontrar soluciones para los frecuentes accidentes de electrocución de la época; Después de estudiar lo que sucede cuando el ritmo cardíaco se desvía, estos hombres fueron los primeros en lograr que el corazón de un perro dejara de fibrilar. Los médicos de Hopkins implantaron el primer DAI en un paciente en 1980.
Pero aunque la tecnología tiene sus raíces en la clínica Johns Hopkins, Berger dice que su mente vuelve al MIT todos los días. Siempre digo que realizar una ablación me recuerda mucho a mi curso de pregrado 6.082, donde movíamos la sonda de un punto a otro dentro de un circuito para depurarlo, dice. Piensa en esos proyectos de laboratorio cada vez que coloca la punta del catéter en el lugar correcto en el corazón de un paciente y observa cómo desaparece la arritmia mientras libera la quemadura.