211service.com
Een uitvinder in hart en nieren
Geïnspireerd door lessen die hij leerde aan het MIT, probeert Ronald Berger '81 een pijnloze methode te perfectioneren om hartstilstand te voorkomen. 21 februari 2012
In het Boston Museum of Science verzamelt het publiek zich rond de Van de Graaff-generator om te zien hoe twee miljoen volt tussen twee metalen bollen knettert, terwijl de operator, die in de buurt in een eenvoudige kooi staat, onaangetast blijft. Deze bliksemshow demonstreert een kooi van Faraday, een behuizing die ervoor zorgt dat elektrische ladingen niet binnen of buiten kunnen komen. Toen Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87 in 1999 zijn kinderen meenam naar het Boston-spektakel, was dat niet alleen voor de lol. Hij zat midden in een complot om een kooi van Faraday om het menselijk hart te passen.
Als Berger het kan laten werken, zal zijn apparaat de omstandigheden voor patiënten met hartproblemen verbeteren. Plotselinge hartstilstand, een belangrijke doodsoorzaak, is het gevolg van een ernstige aritmie die ventrikelfibrilleren wordt genoemd. In deze noodsituatie is de enige manier om het normale ritme te herstellen met een defibrillator, die een borstklopperij van honderden of duizenden volts afgeeft. Al meer dan drie decennia kunnen patiënten die als risico op hartaanvallen worden beschouwd, een interne hartdefibrillator (ICD) onder de huid laten installeren om onregelmatige hartslagen te detecteren. Een draad die van de ICD door een ader naar het hart gaat, levert zo nodig schokken. De schokken zijn echter pijnlijk en patiënten leven vaak met angst voor ze of kiezen ervoor om vanwege hen af te zien van behandeling. Het is een belangrijk probleem, zegt Berger. Ik was erg geïnteresseerd in het pijnloos maken van defibrillatie. En een soort kooi van Faraday zou het antwoord kunnen zijn.
Berger, die mededirecteur is van cardiale elektrofysiologie aan de Johns Hopkins, behaalde drie MIT-graden in elektrotechniek en computerwetenschappen en voltooide vervolgens zijn MD in 1987 via de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. ingenieur en arts. Meer specifiek is hij een elektrofysioloog van het hart - iemand die begrijpt dat we Moeder Natuur echt voor de gek kunnen houden en de voortplanting van de [elektrische] impuls in harten kunnen onderbreken, zoals hij het uitdrukt. Berger besteedt 75 procent van zijn tijd bij Johns Hopkins aan lesgeven, als beheerder en het uitvoeren van procedures om elektrische cardiale disfunctie of aritmie te stillen. De rest van de tijd onderzoekt en bedenkt hij.
Berger heeft altijd uitgevonden. Voor zijn afstudeerscriptie aan het MIT ontwierp hij een nieuwe manier om laserstralen door kristallen te sturen en af te buigen. Het resultaat, herinnert zijn scriptieadviseur, EECS-professor kardinaal Warde, zich tot een van de beste scripties die ooit in mijn laboratorium zijn gedaan. Kort nadat Berger in 1980 zijn beste vriend, Joseph Smith, SM '82, PhD '85, ontmoette in het laboratorium van biomedisch ingenieur Richard Cohen van het MIT, veranderden ze een zwart-wit handheld-tv in een ECG-machine die de hartspier kon lezen. elektrische activiteit aan het oppervlak van het lichaam. Vandaag heeft Berger 25 patenten gekregen voor cardiologische methoden en apparatuur.
Vijftien jaar geleden raakte Berger gefixeerd op de pijn die ICD-shocks bij zijn patiënten veroorzaakten. Hij wist dat de pijn niet uit het hart kwam. Het orgaan zelf heeft zo weinig capaciteit voor pijnsensatie dat patiënten klaarwakker kunnen blijven terwijl cardiologen ablatie uitvoeren, waarbij chronisch defect hartweefsel wordt weggebrand met een draad die door een bloedvat omhoog is geslingerd. Dus concludeerde Berger dat elektrische pulsen van de ICD moeten lekken als de zenuwen en spieren van de borstwand worden geactiveerd.
Er klikte iets. Ik zei tegen mezelf, zou het niet cool zijn als er een manier was om de elektrische activiteit beperkt te houden tot het hart? zegt Berger. Toen moest hij denken aan een les over de kooi van Faraday uit 8.022, Elektriciteit en magnetisme, een les die hij in 1977 bij professor Claude Canizares had gevolgd. Berger vroeg zich af of het mogelijk zou zijn om het hart in een kooi van Faraday te omhullen om een schok die aritmie stopte.
Een probleem is echter dat een kooi van Faraday rond het hart de elektriciteit niet alleen tot het hart zou beperken; het zou ook voorkomen dat elektriciteit van een andere bron binnenkomt. Dit betekende dat patiënten geen externe defibrillatie zouden kunnen krijgen als hun hartfalen zo extreem was dat ze een grotere schok nodig hadden. Om daarmee om te gaan, begon Berger na te denken over een configuratie van metalen panelen die niet helemaal aaneengesloten zouden zijn. Ze zouden alleen maar dichtbij genoeg zijn om als een kooi van Faraday te fungeren als er elektriciteit doorheen ging. Hij herinnert zich dat een onderzoeker het idee aan zijn vrouw vertelde, die voorstelde het metalen gaas in een nylon kous te naaien. Ze heeft zelfs een prototype gemaakt. Het was een kooi van Faraday, of beter gezegd een sok van Faraday.
Elektrische schok: Het prototype hartsok van Ronald Berger is gemaakt van meerdere flexibele elektroden die elektrisch met elkaar zijn verbonden om als een kooi van Faraday te fungeren. De kooi van Faraday voorkomt lekkage van het elektrische veld naar de omliggende weefsels, waardoor de pijn die wordt veroorzaakt door de schok van een geïmplanteerde defibrillator wordt verminderd.
In de praktijk zou de sok om het hart passen en dienen als één elektrode van het schokafgiftecircuit; wanneer een aangesloten sensor abnormale hartactiviteit detecteerde, zou een elektrische spoel die in het hart werd geïmplanteerd, de schok afgeven. In 2005, toen Berger en zijn onderzoeksteam het prototype bij honden testten, reset het apparaat de hartslag met minder energie dan een standaard ICD. Het belangrijkste was dat de borstspieren van de honden veel minder samentrokken, wat betekent dat er minder elektriciteit naar buiten sijpelde en pijn veroorzaakte.
Collega's van Berger en Johns Hopkins hebben het ontwerp het afgelopen jaar verfijnd, met behulp van wiskundige modellen om de optimale afstand voor de panelen te vinden. In de meest recente versie verenigen de panelen zich elektrisch tot een aangrenzend schild en fungeren ze alleen in de 10 milliseconden vlak voor en tijdens het moment waarop de schok wordt toegediend als een kooi van Faraday.
Ondanks de vooruitgang twijfelen sommige hartexperts aan het potentieel van de sok. Bio-ingenieur Igor Efimov van de Washington University in St. Louis wijst erop dat het bedekken van het hart met het gaas een grote operatie aan de open borst zou vereisen. Wie zou instemmen met zo'n ingrijpende operatie met onduidelijke klinische voordelen? hij zegt. Hij voorspelt ook dat littekenweefsel de draadlatten van het apparaat zou omhullen en zou voorkomen dat ze open zouden gaan. Tenzij er een doorbraak is in biomaterialen, denk ik niet dat het kan worden gebruikt, zegt hij. Berger is het ermee eens dat littekenweefsel een probleem kan zijn, maar hij hoopt dat zijn uitvinding kan werken. Hij merkt op dat particuliere bedrijven al sokken hebben uitgevonden die zijn gemaakt van elastisch gaas om de hartspierspanning te verminderen bij patiënten met hartfalen. Berger suggereert dat zijn kooi van Faraday in een van die sokken kan worden ingebouwd. Hartpatiënten die al een invasieve operatie nodig hebben om de sok te implanteren, kunnen een twee-op-een-oplossing krijgen.
Berger en zijn vriend Smith, die nu Chief Medical Officer is van het West Wireless Health Institute, hebben vele nachten in Baltimore doorgebracht met het bespreken van de Faraday-sok en hoe Berger deze tot wasdom zou kunnen brengen. Het is een van die dingen die alleen voortkomen uit een slimme ingenieur die het probleem vanuit een natuurkundig perspectief kan begrijpen, maar ook de klinische toepassingen kan zien, zegt Smith.
Deze twee complementaire talenten begonnen samen te smelten niet lang nadat Berger in 1976 aan het MIT begon. Op een dag liep hij het kantoor van zijn adviseur, George W. Pratt, binnen en zag hij een groot schilderij van een paard. Hij was verbijsterd totdat Pratt, een liefhebber van paardenraces, begon met het tekenen van krijtdiagrammen van elektrische weerstanden en condensatoren om het bloedsysteem van paarden te modelleren; het hart werkte als een batterij en de bloedvaten als een opgeladen condensator. Voor Berger zijn deze lessen 35 jaar later nog steeds een openbaring. Hij zegt: het is verbazingwekkend - de principes van elektrotechniek liggen ten grondslag aan hoe een natuurlijke impuls in het hart van de ene cel naar de andere gaat.
Vandaag probeert Berger defibrillatie te verbeteren op de plek waar de techniek is ontstaan. In 1933 financierde een elektriciteitsbedrijf uit New York de inspanningen van Johns Hopkins-onderzoekers om oplossingen te vinden voor de frequente elektrocutie-ongevallen van die tijd; na te hebben bestudeerd wat er gebeurt als het ritme van een hart uit koers is, waren deze mannen de eersten die het hart van een hond lieten stoppen met fibrilleren. Hopkins-artsen implanteerden de eerste ICD in 1980 bij een patiënt.
Maar hoewel de technologie zijn wortels heeft in de Johns Hopkins-kliniek, zegt Berger dat zijn gedachten elke dag teruggaan naar MIT. Ik zeg altijd dat het uitvoeren van ablatie me erg doet denken aan mijn niet-gegradueerde cursus 6.082, waar we de sonde van punt naar punt binnen een circuit zouden verplaatsen om het te debuggen, zegt hij. Elke keer dat hij de punt van de katheter op de juiste plaats in het hart van een patiënt schuift, denkt hij aan die laboratoriumprojecten en ziet hij de aritmie verdwijnen terwijl hij de brandwond toedient.