211service.com
En uppfinnare i hjärtat
Inspirerad av lärdomar han lärt sig vid MIT, försöker Ronald Berger '81 att fullända en smärtfri metod för att förhindra hjärtstopp. 21 februari 2012
På Boston Museum of Science samlas publiken runt Van de Graaff-generatorn för att se när två miljoner volt sprakar mellan dubbla metallsfärer medan operatören, som står i närheten inuti en enkel bur, förblir opåverkad. Denna blixtshow visar en Faraday-bur, ett hölje som hindrar elektriska laddningar från att komma in eller ut. 1999, när Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87, tog sina barn till Boston-spektaklet, var det inte bara för skojs skull. Han var mitt uppe i en komplott för att passa en Faraday-bur runt det mänskliga hjärtat.
Om Berger kan få det att fungera kommer hans enhet att förbättra villkoren för patienter med hjärtproblem. Plötsligt hjärtstillestånd, en ledande dödsorsak, är resultatet av en allvarlig arytmi som kallas kammarflimmer. I den här nödsituationen är det enda sättet att återställa normal rytm med en defibrillator, som avger en bröstkorg på hundratals eller tusentals volt. I mer än tre decennier har patienter som anses löpa risk för hjärtinfarkt kunnat få en intern hjärtdefibrillator (ICD) installerad under huden för att upptäcka oregelbundna hjärtslag. En tråd som passerar från ICD in i hjärtat genom en ven ger stötar efter behov. Men chockerna är smärtsamma och patienterna lever ofta i rädsla för dem eller väljer att avstå från behandling på grund av dem. Det är ett viktigt problem, säger Berger. Jag har varit väldigt intresserad av att göra defibrillering smärtfri. Och en typ av Faraday-bur kan vara svaret.
Berger, som är meddirektör för hjärtelektrofysiologi vid Johns Hopkins, tog tre MIT-grader i elektroteknik och datavetenskap och avslutade sedan sin doktorsexamen genom Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology 1987. Han speglar sin utbildning och är både ingenjör och läkare. Mer specifikt är han en hjärtelektrofysiolog – en som förstår att vi faktiskt kan lura Moder Natur och avbryta spridningen av den [elektriska] impulsen i hjärtan, som han uttrycker det. Berger tillbringar 75 procent av sin tid på Johns Hopkins med att undervisa, fungera som administratör och utföra procedurer för att tysta elektrisk dysfunktion i hjärtat eller arytmi. Resten av tiden forskar och uppfinner han.
Berger har alltid uppfunnit. För sin grundexamen vid MIT designade han ett nytt sätt att styra och avleda laserstrålar genom kristaller. Resultatet, minns hans avhandlingsrådgivare, EECS-professorn Cardinal Warde, var en av de bästa avhandlingar som någonsin gjorts i mitt laboratorium. Strax efter att Berger träffade sin bästa vän, Joseph Smith, SM '82, PhD '85, i MIT:s biomedicinska ingenjör Richard Cohens labb 1980, förvandlade de en svart-vit handhållen TV till en EKG-maskin som kunde läsa hjärtats elektrisk aktivitet på kroppens yta. Idag har Berger beviljats 25 patent för kardiologiska metoder och utrustning.
För femton år sedan blev Berger fixerad vid smärtan som ICD-chocker orsakade hans patienter. Han visste att smärtan inte kom från hjärtat. Själva organet har så liten kapacitet för smärtkänsla att patienter kan hålla sig klarvakna när kardiologer utför ablation och bränner bort kroniskt felaktig hjärtvävnad med en tråd som har slingrats upp genom ett blodkärl. Så Berger drog slutsatsen att elektriska pulser från ICD måste läcka ut när nerverna och musklerna i bröstväggen aktiveras.
Något klickade. Jag sa till mig själv, skulle det inte vara coolt om det fanns ett sätt att hålla den elektriska aktiviteten begränsad till hjärtat? säger Berger. Det var då han blev påmind om en lektion om Faraday-buren från 8.022, Electricity and Magnetism, en lektion han hade gått med professor Claude Canizares redan 1977. Berger undrade om det skulle vara möjligt att hylla hjärtat inuti en Faraday-bur för att innehålla en chock som stoppade arytmi.
Ett problem är dock att en Faraday-bur runt hjärtat inte bara skulle hålla elektriciteten begränsad till hjärtat; det skulle också blockera elektricitet från en annan källa från att komma in. Detta innebar att patienter inte skulle kunna få akut extern defibrillering om deras hjärtsvikt var tillräckligt extremt för att kräva en större chock. För att hantera det började Berger fundera på en konfiguration av metallpaneler som inte skulle vara helt sammanhängande. De skulle bara vara tillräckligt nära för att fungera som en Faraday-bur när elektricitet passerade genom dem. Han minns att en forskare nämnde idén för sin fru, som föreslog att sy metallnätet till en nylonstrumpa. Hon tog till och med fram en prototyp. Det var en Faraday-bur – eller, rättare sagt, en Faraday-strumpa.
Elchock: Ronald Bergers prototyp för hjärtstrumpa är gjord av flera flexibla elektroder som är elektriskt sammanfogade för att fungera som en Faraday-bur. Faraday-buren förhindrar läckage av det elektriska fältet till omgivande vävnader, vilket minskar smärtan som orsakas av stöten från en implanterad defibrillator.
I praktiken skulle strumpan passa runt hjärtat och fungera som en elektrod i stötavgivningskretsen; när en ansluten sensor detekterade onormal hjärtaktivitet, skulle en elektrisk spole implanterad inuti hjärtat ge stöten. 2005, när Berger och hans forskarteam testade prototypen på hundar, återställde enheten hjärtslag med mindre energi än en vanlig ICD. Det viktigaste är att hundarnas bröstmuskler drogs ihop mycket mindre, vilket betyder att mindre elektricitet sipprade ut och orsakade smärta.
Berger och Johns Hopkins kollegor har förfinat designen under det senaste året, genom att använda matematisk modellering för att hitta det optimala avståndet för panelerna. I den senaste versionen förenas panelerna elektriskt till en sammanhängande sköld och fungerar som en Faraday-bur endast på 10 millisekunder precis före och under det ögonblick då stöten avges.
Trots framstegen ifrågasätter vissa hjärtexperter strumpans potential. Bioingenjör Igor Efimov vid Washington University i St. Louis påpekar att att täcka hjärtat med nät skulle kräva en omfattande operation med öppen bröstkorg. Vem skulle gå med på en så dramatisk operation med oklara kliniska fördelar? han säger. Han förutspår också att ärrvävnad skulle täcka in enhetens trådlameller och hindra dem från att öppnas. Om det inte blir ett genombrott inom biomaterial tror jag inte att det skulle kunna användas, säger han. Berger håller med om att ärrvävnad kan vara ett problem, men han hoppas att hans uppfinning kan fungera. Han konstaterar att privata företag redan har uppfunnit strumpor gjorda av elastiskt nät för att minska hjärtmuskelstress hos patienter med hjärtsvikt. Berger föreslår att hans Faraday-bur kan byggas in i en av dessa strumpor. Hjärtpatienter som redan behöver invasiv kirurgi för att implantera strumpan kan få en två-för-en-lösning.
Berger och hans vän Smith, som nu är chefsläkare för West Wireless Health Institute, har tillbringat många kvällar i Baltimore med att diskutera Faraday-strumpan och hur Berger kan förverkliga den. Det är en av de saker som bara kommer från en skicklig ingenjör som kan förstå problemet ur ett fysikperspektiv men också se de kliniska tillämpningarna, säger Smith.
Dessa två kompletterande talanger började smälta samman inte långt efter att Berger började på MIT 1976. En dag gick han in på kontoret till sin rådgivare, George W. Pratt, och lade märke till en stor målning av en häst. Han var förbryllad tills Pratt, en hästkapplöpningsentusiast, började rita kritadiagram över elektriska motstånd och kondensatorer för att modellera hästens blodsystem; hjärtat fungerade som ett batteri och blodkärlen som en laddad kondensator. För Berger är dessa lärdomar fortfarande en uppenbarelse 35 år senare. Han säger, det är en fantastisk sak - principerna för elteknik ligger till grund för hur en infödd impuls i hjärtat går från en cell till nästa.
Idag försöker Berger förbättra defibrillering precis där tekniken föddes. År 1933 finansierade ett elbolag i New York ansträngningar av Johns Hopkins-forskare för att hitta lösningar för erans frekventa elektriska olyckor; efter att ha studerat vad som händer när ett hjärtas rytm är ur kurs, var dessa män de första som fick en hunds hjärta att sluta flimmer. Hopkins läkare implanterade den första ICD i en patient 1980.
Men även om tekniken har sina rötter i Johns Hopkins-kliniken, säger Berger att hans tankar går tillbaka till MIT varje dag. Jag säger alltid att att utföra ablation påminner mig väldigt mycket om min grundkurs 6.082, där vi skulle flytta sonden från punkt till punkt i en krets för att felsöka den, säger han. Han tänker på de där labbprojekten varje gång han placerar kateterns spets till rätt plats i en patients hjärta och ser arytmin försvinna när han ger brännskadan.