この装置はあなたの心臓を調整し、その後消滅させる可能性がある

自然のリズムの典型である心臓は、時として一定の拍動を保つために助けを必要とします。心臓の筋肉に電流を瞬間的に流し込み、鼓動を調節する永久ペースメーカーは、慢性的な不整脈を矯正することができます。また、一時的なペースメーカーは、開胸手術後に生じる一時的な機能不全を解消することができます。医師は皮膚を通して心臓に電気リード線を繋ぎますが、筋肉組織は侵入した電極を流砂のように包み込みます。

しかし、ペースメーカーが一時的な予防措置に過ぎない場合、すべて取り出さなければなりません。そこが厄介なところです。

ワイヤーが抜けると、心臓に永久的な傷跡が残る可能性があります。また、ワイヤーを引き抜く手術は出血や感染症を引き起こす可能性があります。「心臓の表面に縫合ワイヤーを置く場合は常にリスクが伴います」と、ノースウェスタン大学の心臓専門医で研究者のリシ・アローラ氏は述べています。

アローラのチームは6月にNature Biotechnology誌に論文を発表し、仕事を終えると消滅する「一過性」ペースメーカーを発表しました。この装置は10セント硬貨の約10分の1の重さで、小さな金属コイルアンテナを介して無線電力を受け取り、さらに小さな電極へとペースメーカーの電気信号を送ります。そして、装置が消滅するのです。すべての電気部品は生体適合性があり、3ヶ月以内に生体吸収されます。

「これは画期的な進歩です」と、インディアナ大学心臓血管研究所所長で心臓専門医のスバ・ラマン氏は語る。ラマン氏は、ペースメーカーの抜去に伴う感染症は一般的で、特に糖尿病患者に多く、糖尿病は心臓病と併発することが多いと指摘する。さらに、残存するワイヤーが心臓内に留置されると、脳卒中患者にとって重要な診断ツールであるMRI検査が不可能になる可能性がある。一時的なデバイスは、こうした影響から保護する。

ペースメーカーをなくす秘訣は化学にあります。ポリマーや鉄、マグネシウム、タングステンなどの特定の金属は、体内で無毒の廃棄物として自然に溶解することが古くから知られています。しかし、医療用電子機器に必要なのは金属やプラスチックだけではありません。プログラムされた入出力を正確に制御する半導体が必要なのです。このプロジェクトの共同リーダーを務めたノースウェスタン大学の生物医学エンジニア、ジョン・ロジャース氏は、行き詰まった時のことを覚えています。「半導体には何を使うんだ？」と。「私たちには、その答えが全くありませんでした。」

2012年に画期的な進歩が訪れました。シリコンが生体吸収性を持つ可能性があることが判明したのです。「極薄シリコンをいじっていると、面白いことに気づきます」とロジャーズ氏は言います。彼の研究室の研究者たちは、この素子を使って、ほとんどの電子機器に見られるシリコンチップよりもはるかに薄いワイヤー、メンブレン、リボンを作製しました。「ポスドクの一人が、このシリコンの一部を数日間水槽に浸しておくと、シリコンが見つからなくなることに気づきました」とロジャーズ氏は回想します。「それで、何か面白いことが起こっているかもしれないと気づいたのです。」

水中では、シリコン原子は死んだ皮膚のようにナノメートル単位で剥がれ落ち、消え去る。「あらゆる家電製品の基盤となる主力素材を使えるという事実は、実に多くの可能性を切り開くのです」とロジャーズ氏は言う。

この画期的な進歩から生まれた最初の医療インプラントは、損傷した組織に電気刺激を与えて神経再生を促進する薄いシートで、研究チームはラットで試験しました。その後、ロジャーズ氏は、低心拍の治療に従来使用されてきた一時的なペースメーカーを不要にするチャンスを見出し、アローラ氏を含む心臓専門医と協力しました。ロジャーズ氏はこの溶解性デバイスを、すべての成分が溶解する体内の創傷治癒装置、つまり「電子医療」に例えています。

一見すると、幅0.5インチ、長さ0.5インチのこのデバイスは、薄っぺらなプラスチックの帯のように見えるかもしれません。しかし実際には、精巧に選ばれた要素と面が複雑に重なり合った構造です。電気接点はタングステンとマグネシウムの混合物でできています。ワイヤレス電力は、同じ材料で作られた平らなコイル状のアンテナを介してこれらの接点に供給されます。電力は近距離無線通信（NFC）対応のアンテナから供給され、病院のベッドやウェアラブルパッチに設置できます。（残念ながら、スマートフォンのタップして支払うNFCはまだ、人々の心を掴むほどの効率性はありません。）

安定した電気的接触は、あらゆる心臓デバイスにとって極めて重要です。なぜなら、血液を送り出す収縮は、心臓細胞が素早く刺激を発することに依存しているからです。しかし、デバイスは動的であることも必要です。心臓は血液を充満させたり排出したりすると、その曲面は応力と歪みを受けます。安定性と柔軟性を両立させるという課題は、「この分野にとって、しばらくの間、ある種の未解決問題でした」とロジャーズ氏は言います。「バイオエレクトロニクスは素晴らしいですが、では、どのようにして長期間にわたって堅牢なインターフェースを維持するのでしょうか？」

研究チームは、接着性ハイドロゲルを用いることでこの問題を解決しました。このハイドロゲルは心臓に機械的に接着するだけでなく、化学的にしっかりと固定します。ハイドロゲルは組織表面と共有結合を形成します。ハイドロゲルと心臓の分子糸が化学的に絡み合います。一方の窒素原子がもう一方の炭素原子と融合し、逆もまた同様です。これにより、タンパク質のような強力な結合が形成されます。「この結合は、機械的に柔軟でありながら、電気的に密接な結合を実現します」とロジャーズ氏は述べています。

各層は濡れるとすぐに溶解し始めるため、デバイスが植え込まれた後すぐに劣化しないことが重要です。そのため、ペースメーカーは時間に対する緩衝材として機能する溶解性ポリマーシェルの中に収められています。シェルが溶解するまでの2週間、ハードウェアは機能します。その後、残りの部分が分解し始めますが、その頃には患者はペースメーカーを必要としなくなるはずです。より長寿命のデバイスが必要な場合、研究チームはより厚いカプセルを備えたバージョンを開発する可能性があります。

研究チームは、心臓が小さい動物（ラットとマウス）、心臓が中くらいの動物（ウサギ）、そして人間とほぼ同じ大きさの心臓を持つ動物（イヌ）でこの装置をテストした。いずれの場合も、この装置は動物の心拍のペースを制御することができた。（また、ヒトのドナーから単離した組織でも同様の結果が得られた。）

ロジャーズ氏とアローラ氏のチームは、ラットの体内でペースメーカーがどのように消失していくかについても実験しました。その結果、ペースメーカーは1週間は無傷のままでしたが、3週間でほぼ溶解し、4週間で機能を停止しました。そして12週間後には完全に消失しました。

「その機能を実現しながら、潜在的に危険または毒性のある副産物を一切残さずに装置全体を廃棄するのは、非常に難しい課題です」と、MITで心臓デバイスを開発するバイオメディカルエンジニアのエレン・ロッシュ氏は語る。ロッシュ氏は今回の研究には関わっていない。「どちらか一方だけなら実現可能です」とロッシュ氏は続ける。「しかし、両方を同時に実現することは、大きな成果だと思います」

「シンプルな材料を見るのは本当に素晴らしいことです。その毒性負荷については既に分かっています」と、カーネギーメロン大学の生物医学エンジニア、クリス・ベッティンガー氏は語る。「シンプルさは往々にして過小評価されていると思います。」

しかし、ペースメーカーのような侵襲性デバイスは、ヒトにおける安全性と有効性を証明するために、はるかに多くの試験が必要となる。もう一つの課題は、心臓病患者の心臓表面の状態である。心臓表面は、実験動物よりもはるかに損傷が激しいと考えられる。アローラ氏のチームには属さない心臓専門医のラマン氏は、この種のデバイスを必要とする可能性のある人の中には、既に心臓病や閉塞によって組織に瘢痕化が生じており、電気的接続の形成が困難になっている人もいると指摘する。「しかし、設計から判断すると、おそらく機能するだろう」とラマン氏は言う。

アローラ氏は、この溶解性インプラントが従来の一時的なペースメーカーに取って代わるだけでなく、心臓発作や薬物の過剰摂取後など、ペースメーカーを装着するケースの選択肢を広げることを期待している。こうしたケースでは、電解質の不均衡が心拍数の低下を引き起こす可能性があるとアローラ氏は指摘する。「患者が病気の急性期を乗り越える手助けをできるようになり、潜在的に有害な外部機器を装着する必要がなくなるでしょう」とアローラ氏は語る。

ロジャーズ氏によれば、チームの設計に基づいた吸収性ペースメーカーの臨床試験は3年後に開始される可能性があるという。

今回の実証は、他の種類の電子医療への基盤を築くものでもある。ロジャーズ氏とアローラ氏は、手術を必要とせずに心臓内部からリズムを修正する経静脈ペースメーカーを開発している。また、溶けるインプラントを滑りやすい心臓に貼り付けられることが示されたことで、縫合が難しい腎臓や膀胱用の消失型バイオセンサーの開発にも明るい兆しが見える。（膀胱の場合は壁が非常に薄いため、腎臓の場合は免疫拒絶反応のリスクがあるためである。）

ロジャーズ氏の過渡的バイオエレクトロニクスの実験は、従来の概念を覆すものだ。「固体エレクトロニクスの歴史を振り返ると、永遠に使えるデバイスを作る能力を中心に据えてきたと言えるでしょう」と彼は言う。しかし、環境、そして私たちの体は、化学結合を破壊し、原子をリサイクルすることに長けている。その有限性を受け入れ、永続的に使えるように作られていないものを作ることには、価値があるのだ。

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