211service.com
En opfinder i hjertet
Inspireret af lektier, han lærte på MIT, forsøger Ronald Berger '81 at perfektionere en smertefri metode til at forhindre hjertestop. 21. februar 2012
På Boston Museum of Science samles publikum omkring Van de Graaff-generatoren for at se, mens to millioner volt krakelerer mellem to metalkugler, mens operatøren, der står i nærheden inde i et simpelt bur, forbliver upåvirket. Dette lynshow demonstrerer et Faraday-bur, et kabinet, der forhindrer elektriske ladninger i at komme ind eller ud. I 1999, da Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87, tog sine børn med til Boston-forestillingen, var det ikke kun for sjov. Han var midt i et komplot om at passe et Faraday-bur rundt om det menneskelige hjerte.
Hvis Berger kan få det til at virke, vil hans apparat forbedre forholdene for patienter med hjerteproblemer. Pludselig hjertestop, en førende dødsårsag, skyldes en alvorlig arytmi kaldet ventrikulær fibrillation. I denne nødsituation er den eneste måde at genoprette normal rytme på med en defibrillator, som afgiver en brystbeslag på hundreder eller tusinder af volt. I mere end tre årtier har patienter, der anses for at være i risiko for hjerteanfald, været i stand til at få installeret en intern hjertedefibrillator (ICD) under huden for at registrere uregelmæssige hjerteslag. En ledning, der går fra ICD'en ind i hjertet gennem en vene, afgiver stød efter behov. Chokkene er dog smertefulde, og patienterne lever ofte i frygt for dem eller vælger at give afkald på behandlingen på grund af dem. Det er et vigtigt problem, siger Berger. Jeg har været meget interesseret i at gøre defibrillering smertefri. Og en type Faraday-bur kunne være svaret.
Berger, der er meddirektør for hjerteelektrofysiologi hos Johns Hopkins, opnåede tre MIT-grader i elektroteknik og datalogi og afsluttede derefter sin MD gennem Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology i 1987. Som afspejler hans uddannelse er han både ingeniør og læge. Mere specifikt er han en hjerteelektrofysiolog – en, der forstår, at vi faktisk kan narre Moder Natur og afbryde udbredelsen af den [elektriske] impuls i hjerter, som han udtrykker det. Berger bruger 75 procent af sin tid på Johns Hopkins til at undervise, tjene som administrator og udføre procedurer for at dæmpe elektrisk dysfunktion i hjertet eller arytmi. Resten af tiden forsker og opfinder han.
Berger har altid opfundet. Til sin bachelorafhandling ved MIT designede han en ny måde at styre og afbøje laserstråler gennem krystaller. Resultatet, husker hans specialevejleder, EECS-professor Cardinal Warde, var en af de bedste bachelor-afhandlinger, der nogensinde er lavet i mit laboratorium. Kort efter Berger mødte sin bedste ven, Joseph Smith, SM '82, PhD '85, i laboratoriet hos MIT biomedicinsk ingeniør Richard Cohen i 1980, forvandlede de et sort-hvidt håndholdt tv til en EKG-maskine, der kunne læse hjertets elektrisk aktivitet på kroppens overflade. I dag har Berger fået udstedt 25 patenter på kardiologiske metoder og udstyr.
For 15 år siden blev Berger fikseret på den smerte, som ICD-chok forårsagede hans patienter. Han vidste, at smerten ikke kom fra hjertet. Organet i sig selv har så lille kapacitet til smertefornemmelse, at patienter kan holde sig lysvågne, da kardiologer udfører ablation og brænder kronisk dårligt fungerende hjertevæv væk med en ledning, der er blevet snoet op gennem et blodkar. Så Berger konkluderede, at elektriske impulser fra ICD'en skal lække ud, når nerverne og musklerne i brystvæggen aktiveres.
Noget klikkede. Jeg sagde til mig selv, ville det ikke være fedt, hvis der var en måde at holde den elektriske aktivitet begrænset til hjertet? siger Berger. Det var da, han blev mindet om en lektion om Faraday-buret fra 8.022, Electricity and Magnetism, en klasse, han havde taget med professor Claude Canizares tilbage i 1977. Berger spekulerede på, om det ville være muligt at omslutte hjertet inde i et Faraday-bur for at indeholde en stød, der standsede arytmi.
Et problem er imidlertid, at et Faraday-bur omkring hjertet ikke bare ville holde elektriciteten begrænset til hjertet; det ville også blokere elektricitet fra en anden kilde i at komme ind. Dette betød, at patienter ikke ville være i stand til at få akut ekstern defibrillering, hvis deres hjertesvigt var ekstremt nok til at kræve et større chok. For at håndtere det begyndte Berger at tænke på en konfiguration af metalpaneler, der ikke ville være helt sammenhængende. De ville blot være tæt nok på at fungere som et Faraday-bur, når elektricitet passerede gennem dem. Han husker, at en stipendiat nævnte ideen for sin kone, som foreslog at sy metalnettet ind i en nylonstrømpe. Hun producerede endda en prototype. Det var et Faraday-bur – eller mere præcist en Faraday-sok.
Elektrisk stød: Ronald Bergers prototype hjertesok er lavet af flere fleksible elektroder, der er elektrisk forbundet til at fungere som et Faraday-bur. Faraday-buret forhindrer lækage af det elektriske felt til omgivende væv, hvilket reducerer smerten forårsaget af stød fra en implanteret defibrillator.
I praksis ville sokken passe rundt om hjertet og tjene som én elektrode i stødafgivelseskredsløbet; når en tilsluttet sensor registrerede unormal hjerteaktivitet, ville en elektrisk spole implanteret inde i hjertet give stødet. I 2005, da Berger og hans forskerhold testede prototypen i hunde, nulstillede enheden hjerteslag ved at bruge mindre energi end en standard ICD. Det vigtigste er, at hundens brystmuskler trak sig meget mindre sammen, hvilket betyder, at mindre elektricitet siver ud og forårsagede smerte.
Berger og Johns Hopkins kolleger har forfinet designet i det seneste år ved at bruge matematisk modellering for at finde den optimale afstand til panelerne. I den seneste version forenes panelerne elektrisk til et sammenhængende skjold og fungerer kun som et Faraday-bur i de 10 millisekunder lige før og under det øjeblik, hvor stødet afgives.
På trods af fremskridtene stiller nogle hjerteeksperter spørgsmålstegn ved sokkens potentiale. Bioingeniør Igor Efimov ved Washington University i St. Louis påpeger, at tildækning af hjertet med nettet ville kræve en større åben brystoperation. Hvem ville gå med til en så dramatisk operation med uklare kliniske fordele? han siger. Han forudser også, at arvæv vil indkapsle enhedens ledningslameller og forhindre dem i at åbne sig. Medmindre der er et gennembrud inden for biomaterialer, tror jeg ikke, det kunne bruges, siger han. Berger er enig i, at arvæv kan være et problem, men han håber på, at hans opfindelse kan virke. Han bemærker, at private virksomheder allerede har opfundet sokker lavet af elastisk mesh for at reducere hjertemuskelstress hos patienter med hjertesvigt. Berger foreslår, at hans Faraday-bur måske er bygget ind i en af de sokker. Hjertepatienter, der allerede har brug for invasiv kirurgi for at implantere sokken, kunne få en to-til-en-løsning.
Berger og hans ven Smith, som nu er overlæge for West Wireless Health Institute, har brugt mange en Baltimore-aften på at diskutere Faraday-sokken, og hvordan Berger kan bringe den til virkelighed. Det er en af de ting, der kun kommer fra en dygtig ingeniør, der er i stand til at forstå problemet fra et fysikperspektiv, men også se de kliniske anvendelser, siger Smith.
Disse to komplementære talenter begyndte at smelte sammen ikke længe efter Berger begyndte på MIT i 1976. En dag gik han ind på kontoret til sin rådgiver, George W. Pratt, og lagde mærke til et stort maleri af en hest. Han var forundret, indtil Pratt, en hestevæddeløbsentusiast, begyndte at tegne kridtdiagrammer af elektriske modstande og kondensatorer for at modellere hesteblodsystemet; hjertet virkede som et batteri og blodkarrene som en opladet kondensator. For Berger er disse lektioner stadig en åbenbaring 35 år senere. Han siger, det er en forbløffende ting - principperne for elektroteknik ligger til grund for, hvordan en indfødt impuls i hjertet kommer fra en celle til den næste.
I dag forsøger Berger at forbedre defibrillering netop det sted, hvor teknikken blev født. I 1933 finansierede et elektrisk selskab i New York Johns Hopkins-forskere bestræbelser på at finde løsninger på æraens hyppige elektriske ulykker; efter at have studeret, hvad der sker, når et hjertes rytme er ude af kurs, var disse mænd de første, der fik et hundehjerte til at stoppe med at flimmer. Hopkins læger implanterede den første ICD i en patient i 1980.
Men selvom teknologien har sine rødder i Johns Hopkins-klinikken, siger Berger, at hans sind går tilbage til MIT hver dag. Jeg siger altid, at det at udføre ablation minder mig meget om mit bachelorkursus 6.082, hvor vi ville flytte sonden fra punkt til punkt i et kredsløb for at fejlfinde den, siger han. Han tænker på de laboratorieprojekter, hver gang han skubber kateterets spids til det rigtige sted i en patients hjerte og ser arytmien forsvinde, mens han afgiver forbrændingen.