Un Guardiano Hi-Tech nel Tuo Petto: VITALS Rivoluziona il Monitoraggio Cardiaco Post-Operatorio

Sapete, quando si parla di cuore, specialmente dopo un intervento importante o in presenza di condizioni come lo scompenso cardiaco, la fase post-operatoria è delicatissima. È un periodo in cui tenere tutto sotto controllo è fondamentale, ma spesso ci si scontra con la realtà: i controlli sono intermittenti, fatti in ospedale o in ambulatorio, e nel frattempo, a casa, il cuore potrebbe iniziare a dare segnali di affaticamento che nessuno nota finché non è troppo tardi. Questo porta a riammissioni in ospedale, a un peggioramento della qualità della vita e, purtroppo, a rischi maggiori. Ma se vi dicessi che stiamo lavorando a qualcosa che potrebbe cambiare le regole del gioco? Qualcosa che permette di “ascoltare” il cuore continuamente, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, direttamente da dentro il corpo? Vi presento VITALS.

Il Problema: Un Cuore Sotto Osservazione (Ma Non Abbastanza)

Lo scompenso cardiaco (HF – Heart Failure) è una vera e propria epidemia globale. Pensate che solo negli Stati Uniti colpisce oltre 6 milioni di adulti, con costi annuali che superano i 30 miliardi di dollari. Nonostante i passi da gigante fatti negli interventi cardiovascolari avanzati – pensiamo alle chirurgie complesse o all’impianto di dispositivi di supporto circolatorio meccanico (come gli LVAD) – c’è ancora un “buco nero” nell’assistenza post-acuta. Le statistiche parlano chiaro: fino al 20% dei pazienti viene riammesso in ospedale in modo non pianificato. Un dato allarmante.

Il rischio per i pazienti con scompenso cardiaco è particolarmente alto dopo un intervento chirurgico. La mortalità a un anno può arrivare fino al 30% in caso di chirurgie complesse. Il vero problema è che il deterioramento della funzione cardiaca post-operatoria è spesso graduale, si sviluppa nell’arco di giorni o settimane, e avviene lontano dagli occhi dei medici, a casa. Quando compaiono i sintomi evidenti, potrebbero già essersi verificati danni irreversibili al muscolo cardiaco. Si entra così in un circolo vizioso: ricovero, trattamento, dimissione, peggioramento silenzioso, nuova riammissione… È frustrante, per i pazienti e per noi medici.

Ecco perché poter rilevare precocemente un peggioramento della funzione cardiaca, sia del ventricolo sinistro (LV) che del destro (RV), è cruciale. E qui entra in gioco la deformazione miocardica, o strain.

La Soluzione Hi-Tech: Vi Presento VITALS

Studi recenti hanno dimostrato che le anomalie nello strain miocardico compaiono molto prima di altri segnali di allarme, come le pressioni di riempimento ventricolare. Lo strain è un indicatore più sensibile e ha un valore prognostico superiore rispetto a metriche globali come la frazione di eiezione (EF). Misurare lo strain lungo diversi assi (longitudinale, circonferenziale) ci dà informazioni preziose sulla specifica condizione del cuore e può aiutarci a personalizzare le terapie.

Il problema? Gli strumenti attuali per misurare lo strain, come l’ecocardiografia speckle tracking, sono fantastici, ma non permettono un monitoraggio continuo e non sono pratici per l’uso a domicilio. Ed è qui che entriamo in gioco noi, con un progetto che abbiamo chiamato VITALS (Versatile Implant for Telemetry And Longitudinal Sensing). Si tratta di una rete di sensori impiantabili, morbidi e resistenti, progettata per monitorare continuamente la funzione cardiaca in modo multiasse e biventricolare.

L’idea è di impiantare questi sensori sull’epicardio (la superficie esterna del cuore) e sull’aorta durante interventi chirurgici già programmati in pazienti ad alto rischio. Questi sensori potrebbero poi trasmettere dati in continuo, permettendo un monitoraggio remoto e facilitando interventi terapeutici tempestivi e personalizzati.

Come Funziona? L’Ingegno Dietro il Sensore

Sviluppare sensori di strain biocompatibili, morbidi come i tessuti biologici ma allo stesso tempo durevoli e robusti, è stata una sfida enorme. Il cuore si contrae oltre 1 milione di volte in sole due settimane! Molte tecnologie promettenti si sono arenate proprio per problemi di durabilità o affidabilità elettrica nel tempo.

Il nostro approccio è diverso. Abbiamo sviluppato un sensore di strain morbido che disaccoppia la deformazione meccanica dalla trasduzione elettrica. Immaginate un minuscolo sensore di pressione barometrica MEMS (micro-electromechanical system), di quelli super sensibili, accoppiato a un elemento in silicone morbidissimo. Quando il silicone si allunga (perché il cuore si contrae o si riempie), la pressione rilevata dal sensore MEMS diminuisce in modo proporzionale allo strain. Questo design ci permette di avere un sensore con una rigidità simile a quella del tessuto cardiaco, capace di resistere a oltre un milione di cicli di carico nei test di laboratorio senza mostrare segni di deriva o degrado. Un bel passo avanti rispetto ad altre tecnologie!

Ma non basta. Un sensore impiantabile deve misurare solo quello che vogliamo, senza essere influenzato da forze esterne, come le aderenze fibrotiche che si formano nel tempo o le interazioni con i tessuti circostanti. Per risolvere questo problema, abbiamo sviluppato una strategia di “isolamento meccanico”: incapsuliamo il sensore vero e proprio (fatto con un silicone un po’ più rigido, Ecoflex™ 00-10) in uno strato di gel di silicone estremamente morbido (Ecoflex™ Gel 000-35). Questo gel agisce come un cuscinetto, assorbendo le forze di taglio e permettendo all’elemento sensibile interno di deformarsi uniformemente, garantendo così l’accuratezza della misurazione. I test hanno confermato che questa strategia riduce significativamente l’impatto delle forze di taglio sul segnale.

Il cuore, poi, non si limita a contrarsi e rilassarsi; compie movimenti complessi di torsione e cambiamento di curvatura. Per catturare la funzione cardiaca in modo completo, abbiamo progettato VITALS come una rete. Abbiamo creato degli “hub” di sensori, uno per il ventricolo sinistro e uno per il destro. Ogni hub ha quattro elementi sensori disposti a raggiera, montati su un circuito stampato flessibile (PCB) che viene piegato a formare una struttura tridimensionale (un po’ come un origami!). Due sensori opposti definiscono un asse (longitudinale, dall’apice alla base) e gli altri due definiscono l’asse perpendicolare (circonferenziale). In questo modo, possiamo misurare lo strain lungo direzioni diverse, ispirandoci alla struttura elicoidale delle fibre muscolari del cuore.

• Design Durevole: Sensore MEMS + silicone per alta resistenza (>1M cicli).
• Incapsulamento Intelligente: Gel morbido per isolare da forze di taglio.
• Architettura Multi-Asse: Hub con 4 sensori per misure longitudinali e circonferenziali.
• Leggerezza: Ogni hub pesa solo 2 grammi per non ostacolare il movimento cardiaco.

Inoltre, la rete include un sensore singolo progettato per essere avvolto attorno all’aorta ascendente. Poiché l’aorta si espande passivamente sotto la pressione generata dal ventricolo sinistro, misurando il suo strain circonferenziale possiamo stimare la pressione sistolica interna, senza bisogno di sensori a contatto con il sangue.

La Prova del Nove: Cosa Dicono gli Studi sugli Animali?

Ovviamente, un’idea è bella finché non la metti alla prova. Abbiamo condotto studi in vivo su modelli animali (maiali) per valutare la fattibilità e l’utilità clinica di VITALS. I risultati sono stati davvero incoraggianti.

In primo luogo, abbiamo confrontato le misurazioni di VITALS con le metriche “gold standard” ottenute tramite ecocardiografia. Il Global Longitudinal Strain (GLS), un parametro chiave della contrazione del ventricolo sinistro, misurato dal nostro sensore ha mostrato una forte concordanza con quello ottenuto dall’ecografia speckle-tracking, sia in condizioni normali che dopo aver indotto un’ischemia (simulando un infarto). C’era una leggera sottostima da parte del sensore, ma questo è atteso, perché il sensore misura lo strain epicardico (esterno), mentre l’eco cattura quello transmurale (attraverso tutto lo spessore della parete). Anzi, lo strain epicardico potrebbe essere persino più sensibile nel rilevare disfunzioni precoci in certe condizioni.

Non solo strain! Abbiamo usato le misure di deformazione dei sensori sul LV per stimare i volumi ventricolari (volume telediastolico e telesistolico). Anche qui, abbiamo trovato una buona correlazione (R² = 0.91) con i volumi calcolati dall’ecografia. E abbiamo visto che usare le informazioni da entrambi gli assi (longitudinale e circonferenziale) migliora l’accuratezza della stima del volume rispetto all’uso di un solo asse, riducendo la varianza del 20%. Questo conferma il valore dell’approccio multiasse.

Oltre la Deformazione: Pressione e Funzione Cardiaca

Come accennato, abbiamo integrato un sensore sull’aorta per stimare la pressione sistolica. Nei test, abbiamo somministrato epinefrina per aumentare la pressione e la contrattilità cardiaca. Il sensore aortico di VITALS è riuscito a tracciare i cambiamenti nella pressione sistolica di picco, mostrando una correlazione lineare (R² = 0.78) con le misurazioni dirette ottenute tramite cateteri inseriti nell’aorta. Questo apre la porta a valutazioni più complete della funzione di pompa del cuore.

Combinare le misure di strain (dimensione/deformazione) con quelle di pressione è potentissimo. Ci permette di valutare il “lavoro” miocardico e lo stato contrattile (inotropismo) del cuore. Abbiamo confrontato i classici cicli pressione-volume (PV loops) ottenuti con cateteri specialistici con una sorta di “ciclo pressione-strain” generato da VITALS. Anche in questo caso, VITALS è stato in grado di distinguere chiaramente lo stato basale da quello sotto effetto dell’epinefrina, mostrando un aumento della “pendenza” della relazione pressione-strain, indice di una maggiore contrattilità. Immaginate di poter monitorare l’effetto dei farmaci sulla forza contrattile del cuore in tempo reale e da remoto!

VITALS ha dimostrato anche una notevole sensibilità nel rilevare cambiamenti emodinamici acuti. Simulando una riduzione del precarico (la quantità di sangue che riempie i ventricoli prima della contrazione) tramite un’occlusione temporanea della vena cava inferiore, abbiamo visto una risposta immediata dei sensori sia sul LV che sul RV, con una chiara diminuzione della dimensione telediastolica (il “riempimento”). Questo è fondamentale, perché la gestione del precarico è un pilastro della terapia dello scompenso cardiaco.

Ancora più impressionante è stata la capacità di rilevare gli effetti dell’ischemia acuta. Dopo aver legato un’arteria coronaria, abbiamo osservato cambiamenti significativi nei pattern di strain di entrambi i ventricoli:

• Nel LV: Aumento del precarico (dilatazione compensatoria), cambiamento della forma (più sferica), e alterazioni nella curva di strain (“bulging sistolico precoce”) indicative di sofferenza ischemica.
• Nel RV: Disfunzione significativa, probabilmente dovuta alla dipendenza interventricolare (il setto, colpito dall’ischemia, contribuisce alla funzione del RV), con un impatto maggiore sull’asse longitudinale.

Infine, abbiamo indotto fibrillazione ventricolare. L’analisi del segnale di VITALS ha mostrato un cambiamento radicale nelle caratteristiche di frequenza, permettendo di identificare chiaramente l’insorgenza dell’aritmia.

Sfide e Sogni Futuri: La Strada Verso il Paziente

Certo, la strada è ancora lunga. Questi studi sono stati condotti su un numero limitato di animali, in un contesto acuto e a torace aperto. Serviranno studi preclinici più ampi, su modelli cronici (a torace chiuso), per confermare questi risultati, valutare la biocompatibilità a lungo termine, l’effetto dell’incapsulamento fibrotico e l’accuratezza in diverse condizioni e tipi di scompenso cardiaco (incluso quello a frazione di eiezione preservata, HFpEF).

Dovremo perfezionare l’ingegneria: rendere l’elettronica completamente impermeabile, integrare sistemi di comunicazione wireless affidabili (magari simili a quelli usati da dispositivi come CardioMEMS o i moderni defibrillatori impiantabili), e studiare metodi di impianto minimamente invasivi, magari usando accessi percutanei o subxifoidei e adesivi biocompatibili al posto delle suture.

Un’altra sfida sarà tradurre la mole di dati continui forniti da VITALS in informazioni clinicamente utili e azionabili per i medici. Qui, l’intelligenza artificiale e il machine learning potrebbero giocare un ruolo chiave nel personalizzare le terapie e migliorare la cura dei pazienti.

Nonostante le sfide, il potenziale di VITALS è enorme. Immaginate un futuro in cui possiamo monitorare la funzione cardiaca dei pazienti ad alto rischio in modo continuo e non invasivo dopo la dimissione, rilevando precocemente i segni di peggioramento e intervenendo prima che sia troppo tardi. Potrebbe davvero aiutare a rompere il ciclo dello scompenso cardiaco, riducendo le riammissioni e migliorando la vita di milioni di persone.

VITALS non è solo un sensore, è una promessa: quella di un monitoraggio cardiaco più intelligente, più proattivo e, speriamo, più efficace.

Fonte: Springer