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Ein Erfinder im Herzen
Inspiriert von den Lektionen, die er am MIT gelernt hat, versucht Ronald Berger '81, eine schmerzlose Methode zur Vorbeugung von Herzstillstand zu perfektionieren. 21. Februar 2012
Im Boston Museum of Science versammeln sich die Zuschauer um den Van-de-Graaff-Generator, um zuzusehen, wie zwei Millionen Volt zwischen zwei Metallkugeln knistern, während der Operator, der in der Nähe in einem einfachen Käfig steht, unberührt bleibt. Diese Blitzshow zeigt einen Faradayschen Käfig, ein Gehäuse, das verhindert, dass elektrische Ladungen hinein- oder herauskommen. Als Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87 seine Kinder 1999 zum Spektakel in Boston mitnahm, war das nicht nur zum Spaß. Er war mitten in einem Plan, einen Faradayschen Käfig um das menschliche Herz zu legen.
Wenn Berger es schaffen kann, wird sein Gerät die Bedingungen für Patienten mit Herzproblemen verbessern. Plötzlicher Herzstillstand, eine der häufigsten Todesursachen, ist die Folge einer schweren Herzrhythmusstörung, die als Kammerflimmern bezeichnet wird. In diesem Notfall kann der normale Rhythmus nur mit einem Defibrillator wiederhergestellt werden, der einen Brustkorb von Hunderten oder Tausenden von Volt abgibt. Seit mehr als drei Jahrzehnten können Patienten, die ein Herzinfarktrisiko haben, einen internen kardialen Defibrillator (ICD) unter der Haut installieren, um unregelmäßige Herzschläge zu erkennen. Ein Draht, der vom ICD über eine Vene zum Herzen führt, gibt bei Bedarf Schocks ab. Die Schocks sind jedoch schmerzhaft und die Patienten haben oft Angst vor ihnen oder entscheiden sich dafür, auf die Behandlung zu verzichten. Ein wichtiges Problem, sagt Berger. Ich war sehr daran interessiert, die Defibrillation schmerzfrei zu machen. Und eine Art Faradayscher Käfig könnte die Antwort sein.
Berger, Co-Direktor der kardialen Elektrophysiologie bei Johns Hopkins, erwarb drei MIT-Abschlüsse in Elektrotechnik und Informatik und schloss 1987 seinen Doktortitel an der Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology ab. Seine Ausbildung spiegelt er wider Ingenieur und Arzt. Genauer gesagt ist er ein Herz-Elektrophysiologe – einer, der versteht, dass wir Mutter Natur tatsächlich täuschen und die Ausbreitung des [elektrischen] Impulses im Herzen unterbrechen können, wie er es ausdrückt. Berger verbringt 75 Prozent seiner Zeit bei Johns Hopkins, wo er lehrt, als Administrator fungiert und Verfahren zur Beruhigung von elektrischen Herzfunktionsstörungen oder Herzrhythmusstörungen durchführt. Die restliche Zeit forscht und erfindet er.
Berger hat immer erfunden. Für seine Bachelorarbeit am MIT entwarf er einen neuen Weg, Laserstrahlen durch Kristalle zu lenken und abzulenken. Das Ergebnis, erinnert sich sein Dissertationsberater, EECS-Professor Kardinal Warde, war eine der besten Bachelorarbeiten, die je in meinem Labor gemacht wurden. Kurz nachdem Berger 1980 seinen besten Freund Joseph Smith, SM '82, PhD '85, im Labor des biomedizinischen Ingenieurs des MIT, Richard Cohen, kennengelernt hatte, verwandelten sie einen Schwarz-Weiß-Handheld-Fernseher in ein EKG-Gerät, das das Herz lesen kann elektrische Aktivität an der Körperoberfläche. Berger hat heute 25 Patente für kardiologische Methoden und Geräte erhalten.
Vor 15 Jahren war Berger auf die Schmerzen fixiert, die ICD-Schocks seinen Patienten bereiteten. Er wusste, dass der Schmerz nicht aus dem Herzen kam. Das Organ selbst hat so wenig Kapazität für das Schmerzempfinden, dass Patienten hellwach bleiben können, wenn Kardiologen eine Ablation durchführen und chronisch gestörtes Herzgewebe mit einem Draht verbrennen, der sich durch ein Blutgefäß gewunden hat. Daraus schloss Berger, dass elektrische Impulse vom ICD austreten müssen, wenn die Nerven und Muskeln der Brustwand aktiviert werden.
Etwas hat klick gemacht. Ich sagte mir, wäre es nicht cool, wenn es eine Möglichkeit gäbe, die elektrische Aktivität auf das Herz zu beschränken? Berger sagt. Da wurde er an eine Lektion über den Faradayschen Käfig von 8.022 erinnert, Elektrizität und Magnetismus, eine Klasse, die er 1977 bei Professor Claude Canizares besucht hatte. Berger fragte sich, ob es möglich wäre, das Herz in einen Faradayschen Käfig zu stecken, um a Schock, der die Arrhythmie stoppte.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass ein Faradayscher Käfig um das Herz nicht nur die Elektrizität auf das Herz beschränkt; es würde auch den Eintritt von Strom aus einer anderen Quelle verhindern. Dies bedeutete, dass Patienten keine externe Notfalldefibrillation erhalten konnten, wenn ihre Herzinsuffizienz so stark war, dass ein größerer Schock erforderlich war. Um dem entgegenzuwirken, begann Berger über eine Anordnung von Metallplatten nachzudenken, die nicht ganz zusammenhängend sein sollte. Sie würden nur nahe genug sein, um als Faradayscher Käfig zu fungieren, wenn Elektrizität durch sie hindurchfließt. Er erinnert sich, dass ein Forscher die Idee seiner Frau gegenüber erwähnte, die vorschlug, das Metallnetz in einen Nylonstrumpf zu nähen. Sie produzierte sogar einen Prototyp. Es war ein Faradayscher Käfig – oder genauer gesagt eine Faradaysche Socke.
Elektrischer Schock: Der Prototyp einer Herzsocke von Ronald Berger besteht aus mehreren flexiblen Elektroden, die elektrisch miteinander verbunden sind, um als Faradayscher Käfig zu fungieren. Der Faradaysche Käfig verhindert das Durchsickern des elektrischen Feldes in das umgebende Gewebe und reduziert die Schmerzen, die durch den Schock eines implantierten Defibrillators verursacht werden.
In der Praxis würde die Socke um das Herz passen und als eine Elektrode des Stromkreises zur Schockabgabe dienen; Wenn ein angeschlossener Sensor eine abnormale Herzaktivität feststellte, würde eine in das Herz implantierte elektrische Spule den Stoß abgeben. Als Berger und sein Forschungsteam 2005 den Prototyp an Hunden testeten, setzte das Gerät den Herzschlag mit weniger Energie als ein Standard-ICD zurück. Am wichtigsten war, dass sich die Brustmuskeln der Hunde viel weniger zusammenzogen, was bedeutete, dass weniger Strom austrat und Schmerzen verursachte.
Die Kollegen von Berger und Johns Hopkins haben das Design im vergangenen Jahr verfeinert und mithilfe mathematischer Modellierung den optimalen Abstand für die Paneele gefunden. In der neuesten Version vereinigen sich die Paneele elektrisch zu einer zusammenhängenden Abschirmung und fungieren nur in den 10 Millisekunden unmittelbar vor und während des Moments der Schockabgabe als Faradayscher Käfig.
Trotz der Fortschritte stellen einige Herzexperten das Potenzial der Socke in Frage. Bioingenieur Igor Efimov von der Washington University in St. Louis weist darauf hin, dass die Abdeckung des Herzens mit dem Netz eine größere Operation am offenen Brustkorb erfordern würde. Wer würde einer so dramatischen Operation mit unklarem klinischem Nutzen zustimmen? er sagt. Er sagt auch voraus, dass Narbengewebe die Drahtleisten des Geräts verkrusten und sie daran hindern würde, sich zu öffnen. Wenn es keinen Durchbruch bei Biomaterialien gibt, glaube ich nicht, dass sie verwendet werden könnten, sagt er. Berger stimmt zu, dass Narbengewebe ein Problem sein könnte, aber er hofft, dass seine Erfindung funktionieren kann. Er stellt fest, dass private Unternehmen bereits Socken aus elastischem Netz erfunden haben, um die Belastung des Herzmuskels bei Patienten mit Herzinsuffizienz zu reduzieren. Berger schlägt vor, dass sein Faradayscher Käfig in eine dieser Socken eingebaut werden könnte. Herzpatienten, die bereits eine invasive Operation benötigen, um die Socke zu implantieren, könnten eine Zwei-zu-Eins-Lösung erhalten.
Berger und sein Freund Smith, der jetzt Chief Medical Officer des West Wireless Health Institute ist, haben viele Nächte in Baltimore damit verbracht, über die Faraday-Socke zu diskutieren und wie Berger sie verwirklichen könnte. Es ist eines dieser Dinge, die nur von einem klugen Ingenieur kommen, der in der Lage ist, das Problem aus einer physikalischen Perspektive zu verstehen, aber auch die klinischen Anwendungen zu sehen, sagt Smith.
Diese beiden sich ergänzenden Talente verschmolzen nicht lange, nachdem Berger 1976 am MIT angefangen hatte. Eines Tages betrat er das Büro seines Beraters George W. Pratt und bemerkte ein großes Gemälde eines Pferdes. Er war verwirrt, bis Pratt, ein begeisterter Pferdesportler, anfing, Kreidediagramme elektrischer Widerstände und Kondensatoren zu zeichnen, um das Blutsystem von Pferden zu modellieren; das Herz wirkte wie eine Batterie und die Blutgefäße wie ein geladener Kondensator. Für Berger sind diese Lehren auch 35 Jahre später eine Offenbarung. Er sagt: Es ist eine erstaunliche Sache – die Prinzipien der Elektrotechnik liegen zugrunde, wie ein angeborener Impuls im Herzen von einer Zelle zur nächsten gelangt.
Heute versucht Berger, die Defibrillation dort zu verbessern, wo sie geboren wurde. Im Jahr 1933 finanzierte ein New Yorker Elektrizitätsunternehmen Bemühungen von Johns Hopkins-Forschern, Lösungen für die häufigen Stromschlagunfälle dieser Zeit zu finden; Nachdem sie untersucht hatten, was passiert, wenn der Herzrhythmus nicht richtig läuft, waren diese Männer die ersten, die das Herz eines Hundes zum Flimmern brachten. Hopkins-Ärzte implantierten 1980 einem Patienten den ersten ICD.
Aber obwohl die Technologie ihre Wurzeln in der Johns-Hopkins-Klinik hat, denke Berger jeden Tag zurück an das MIT. Ich sage immer, dass die Durchführung einer Ablation mich sehr an meinen Bachelor-Kurs 6.082 erinnert, wo wir die Sonde von Punkt zu Punkt innerhalb einer Schaltung bewegten, um sie zu debuggen, sagt er. Er denkt jedes Mal an diese Laborprojekte, wenn er die Katheterspitze an die richtige Stelle im Herzen eines Patienten drückt und zusieht, wie die Arrhythmie verschwindet, während er die Verbrennung liefert.