Dünyanın En Küçük Kalp Pili Işıkla Çalışıyor

Northwestern Üniversitesi’nin geliştirdiği, pirinç tanesinden küçük bir kalp pili, özellikle yenidoğan bebeklerin hassas kalpleri için tasarlandı. Bir şırıngayla enjekte edilebilen bu cihaz, göğse yerleştirilen esnek bir yama ile kalp ritmini düzenlemek için ışık darbeleri kullanıyor. Geçici pacing gereken hastalarda kullanılan kalp pili, ihtiyaç sona erdiğinde vücutta kendiliğinden çözünüyor, böylece cerrahi çıkarma ihtiyacı ortadan kalkıyor. Nature dergisinde yayımlanan çalışma, cihazın hayvan modelleri ve insan kalplerinde etkinliğini kanıtladı.

Devrim Yaratan Küçük Kalp Pili

Northwestern Üniversitesi mühendisleri, bir şırınganın ucuna sığabilecek kadar küçük bir kalp pili geliştirdi. Pirinç tanesinden daha küçük olan bu cihaz, özellikle konjenital kalp defekti olan yenidoğan bebeklerin küçük ve hassas kalpleri için ideal. Her boyuttaki kalp için kullanılabilen bu kalp pili, göğse yerleştirilen yumuşak, esnek ve kablosuz bir yama ile kontrol ediliyor. Yama, düzensiz kalp atışlarını algıladığında otomatik olarak ışık darbeleri yayarak kalp pilini aktive ediyor. Bu kısa ışık darbeleri, cilt, göğüs kemiği ve kaslardan geçerek kalp ritmini düzenliyor.

Geçici pacing gereken hastalar için tasarlanan cihaz, ihtiyaç sona erdiğinde vücudun biyolojik sıvılarında çözünerek kayboluyor. Tüm bileşenleri biyouyumlu olan kalp pili, cerrahi çıkarma ihtiyacını ortadan kaldırıyor. Çalışma, 2 Nisan 2025’te Nature dergisinde yayımlandı ve cihazın büyük ve küçük hayvan modelleriyle insan bağışçı kalplerinde etkinliğini gösterdi.

Northwestern biyoelektronik öncüsü Prof. Dr. John A. Rogers, “Bilgimiz dahilinde bu, dünyanın en küçük kalp pili. Pediatrik kalp cerrahilerinde geçici kalp pilleri için kritik bir ihtiyaç var ve bu bağlamda boyut küçültme son derece önemli. Cihazın vücut üzerindeki yükü ne kadar küçükse o kadar iyi,” diyor.

Deneysel kardiyolog Prof. Dr. Igor Efimov, “Motivasyonumuz çocuklar oldu. Yaklaşık %1 çocuk konjenital kalp defektiyle doğuyor. İyi haber, bu çocukların çoğu cerrahi sonrası yaklaşık yedi günde kendi kendine iyileşiyor. Ancak bu yedi gün kritik. Artık bu küçük kalp pilini çocuğun kalbine yerleştirebilir ve yumuşak, nazik bir yama ile uyarabiliriz. Çıkarmak için ek cerrahiye gerek yok,” diyor.

Klinik İhtiyaca Yanıt

Bu çalışma, Rogers ve Efimov’un 2021’de Nature Biotechnology’de tanıttığı ilk çözünebilir kalp pili çalışmasının devamı niteliğinde. Mevcut standart bakımda, cerrahlar elektrotları kalp kasına dikiyor ve teller göğüsten dışarı çıkarak harici bir pacing kutusuna bağlanıyor. Kalp pili artık gerekmediğinde elektrotlar çıkarılıyor, ancak bu işlem enfeksiyon, yerinden çıkma, doku hasarı, kanama ve pıhtılaşma gibi komplikasyonlara yol açabiliyor.

Efimov, “Teller vücuttan dışarı çıkıyor ve harici bir kalp piline bağlanıyor. Artık ihtiyaç kalmadığında, bir doktor telleri çekiyor. Teller yara dokusuna gömülebilir, bu da çekildiğinde kalp kasını potansiyel olarak hasar verebilir,” diyor.

Bu klinik ihtiyacı karşılamak için geliştirilen yeni kalp pili, pil ve sert kablolar gibi hacimli donanımları ortadan kaldırıyor. Rogers’ın laboratuvarı, biyoelektronik tıpta öncü olan biyorezorbe elektronik kavramını geliştirdi. Bu cihazlar, hastaya tedavi sağladıktan sonra absorbe edilebilir dikişler gibi vücutta zararsızca çözünüyor. Malzeme bileşimi ve kalınlığı ayarlanarak cihazın işlevsel kalma süresi hassas bir şekilde kontrol edilebiliyor.

Işıkla Çalışan ve Biyolojik Akışkanla Güçlenen Teknoloji

Önceki çeyrek boyutundaki çözünebilir kalp pili, ön-klinik hayvan çalışmalarında başarılı olsa da, cerrahlar cihazın daha da küçültülmesini istedi. Ancak, cihazın yakın alan iletişim protokolleriyle (akıllı telefonlarda elektronik ödemeler veya RFID etiketlerinde kullanılan teknoloji) çalışması, yerleşik bir anten gerektiriyordu.

Rogers, “Orijinal kalp pilimiz iyi çalışıyordu; ince, esnek ve tamamen çözünebilirdi. Ancak alıcı antenin boyutu, küçültmeyi sınırlıyordu. Kablosuz kontrol için radyo frekansı yerine ışık temelli bir şema geliştirdik. Bu, boyutu dramatik bir şekilde azaltmamızı sağladı,” diyor.

Cihazın boyutunu daha da küçültmek için güç kaynağı yeniden tasarlandı. Yakın alan iletişimi yerine, kalp pili galvanik hücre adı verilen basit bir pil türüyle çalışıyor. Bu pil, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürüyor. Kalp pili, iki farklı metal elektrot kullanarak kalp için elektrik darbeleri üretiyor. Çevredeki biyolojik sıvılar, elektrotları elektriksel olarak birleştiren bir iletken elektrolit görevi görüyor ve kimyasal reaksiyonlar elektrik akımını oluşturuyor.

Rogers, “Kalp pili vücuda implante edildiğinde, çevredeki biyolojik sıvılar iki metal pedi birleştirerek pili oluşturur. Karşı taraftaki küçük bir ışıkla etkinleştirilen anahtar, cilt üstündeki yamadan gelen ışıkla cihazı ‘kapalı’ durumdan ‘açık’ duruma geçirir,” diyor.

Işıkla Senkronizasyon

Ekip, vücuda derin ve güvenli bir şekilde nüfuz eden kızılötesi dalga boyunda ışık kullandı. Kalp atış hızı belirli bir seviyenin altına düştüğünde, yama bu durumu algılıyor ve bir ışık yayan diyotu otomatik olarak aktive ediyor. Işık, normal kalp atış hızına karşılık gelecek şekilde yanıp sönüyor.

Efimov, “Kızılötesi ışık vücutta çok iyi nüfuz eder. Elinize bir fener tutarsanız, ışığın diğer taraftan geçtiğini görürsünüz. Vücudumuz ışığı iletmede harika,” diyor.

Boyutları yalnızca 1,8 mm genişlik, 3,5 mm uzunluk ve 1 mm kalınlık olmasına rağmen, cihaz tam boyutlu bir kalp pili kadar stimülasyon sağlayabiliyor. Rogers, “Kalp, çok az elektrik stimülasyonu gerektirir. Boyutu en aza indirerek implantasyon prosedürlerini basitleştiriyor, hastadaki travma ve riski azaltıyor ve cihazın çözünebilir doğası, ikincil cerrahi çıkarma prosedürlerini ortadan kaldırıyor,” diyor.

Daha Karmaşık Senkronizasyon

Cihazın küçük boyutu, doktorların kalbin farklı bölgelerine birden fazla kalp pili yerleştirmesine olanak tanıyor. Farklı bir ışık rengi, belirli bir kalp pilini bağımsız olarak kontrol edebilir. Bu, geleneksel pacing’e kıyasla daha karmaşık senkronizasyon sağlar. Örneğin, aritmileri sonlandırmak için kalbin farklı bölgeleri farklı ritimlerle uyarılabilir.

Efimov, “Kalbin dışına çok sayıda küçük kalp pili yerleştirebilir ve her birini kontrol edebiliriz. Bu, iyileştirilmiş senkronize fonksiyonel bakım sağlar. Ayrıca, kalp bloğuna neden olabilen kalp kapakçığı değişimleri gibi diğer tıbbi cihazlara kalp pillerimizi entegre edebiliriz,” diyor.

Rogers, “Bu kalp pili, neredeyse her türlü implante edilebilir cihaza entegre edilebilir. Transkateter aort kapak değişimlerinde kullanılan çerçevelere bu cihazlardan koleksiyonlar entegre ettik. Bu küçük kalp pilleri, hastanın iyileşme sürecinde ortaya çıkabilecek komplikasyonları ele almak için gerektiğinde aktive edilebilir,” diyor.

Daha Geniş Uygulamalar

Teknolojinin çok yönlülüğü, sinir ve kemik iyileşmesi, yara tedavisi ve ağrı blokajı gibi biyoelektronik tıp alanlarında geniş kullanım olanakları sunuyor. Çalışma, Querrey Simpson Biyoelektronik Enstitüsü, Leducq Vakfı ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01 HL141470) tarafından desteklendi.

Yayın Tarihi ve Kaynak: Çalışma, 2 Nisan 2025 tarihinde Nature dergisinde yayınlandı.
Referans: Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. ve diğerleri, “Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy,” Nature, 2025; DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4.