Uhlíkové vlákno o průměru 6 μm v porovnání s lidským vlasem. Taková se bez úprav, ani jejich svazky, pro šití na srdci neosvědčila. Wikipedia, CC BY-SA 3.0.

Buňky srdečního svalu jsou týmoví pracanti. Když je začneme pěstovat na Petriho misce, aniž by je k tomu někdo nutil, začnou samy po čase pracovat – smršťovat se. Jsou vstřícné domluvě, a jakmile se dotknou dvě kolegyně, svůj pracovní rytmus si koordinují. Tím, jak se kolonie buněk rozrůstají, objevují se stejně tlukoucí okrsky. Nakonec celá plocha rytmicky tepe jako cvičenci na spartakiádě. Místo hudby se řídí signálem, jenž si předávají prostřednictvím membránového potenciálu. Funguje to ale jen do doby, než dojde například k poruše zvané infarkt. Jizvy na svalu se stávají jakýmsi dielektrikem, přes který ani nervové buňky nevedou. Následuje to, čemu se říká, že hodiny oddělených lokalit se začnou rozcházet. Bez domluvy synchronizace buňky stěny srdeční komory přestávají ctít mušketýrské pravidlo „jedna za všechny a všechny za jednu“ a místo toho, aby srdeční komora krev vytlačovala, vrtí se v ní jen sem a tam.

Tak na začátku vypadá změť uhlíkových vláken, z nichž na Rice University spřádají chirurgická vodivá vlákna. Kredit: Texas Heart Institute.

Kardiologové rozlišují celou řadu typů arytmií, podle toho, která část srdce je na vině. Nejčastěji ale píší do chorobopisu ventrikulární tachykardie, což přeloženo do lidštiny znamená, že máme zvýšenou tepovou frekvenci. Srdce se tím snaží kompenzovat svůj snížený výkon. Podle závažnosti nám pak ordinují farmaka, antiarytmika, kardiostimulátory, defibrilátory, radiofrekvenční katétry,...

K nápravě poruch přenosu vzruchů se již pokusy s elektrodami konaly mnohé, žel ani platina ani iridium se pro potřebu trvalého kontaktu se srdeční tkání neukázaly být tím pravým ořechovým. Jejich dráždění se rádo na pacientech podepisuje záněty srdečního svalu i obtížně léčitelnými infekcemi osrdečníku.

Názorná ukázka pevnosti a vodivosti nových chirurgických nití. Kredit: Texas Heart Institute.

V Časopisu AHA v minulém týdnu vyšel článek, jak se dá něčím, co připomíná štupování díry na punčoše, činnost ochablého srdce vylepšit. Aby nedošlo k mýlce, s vydavatelstvím Czech News Center (vlastníkem našeho AHA), to nic společného nemá. Mluvíme zde o produktu společnosti kardiologů American Heart Association a autory studie jsou američtí chirurgové z Houstonu, Philadelphie, Chicaga, La Jolly a Italové ze Sassari. Článek se věnuje výsledkům pokusů nemocných srdcí napravených látáním „bavlnkou“ z dutých uhlíkových nanovláken.

Pod pojmem uhlíkové vlákno (též karbonové vlákno, z angl. carbon fibre) většinou rozumíme  tenký pramen materiálu o průměru 5–8 μm složený převážně z atomů uhlíku, v němž jsou atomy spojeny dohromady v mikroskopické krystaly. Ty jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Uspořádání krystalů určuje, jak je vlákno pevné. V literatuře nejsou tato vlákna uváděna mezi polymery. Autoři studie, o níž zde referujeme, je ale polymery nazývají. Tvrdí, že jejich CNTf jsou upravena tak, že splňují kritéria pro vodivé polymery, neboť jde o kovalentně vázané makromolekuly v nichž jsou atomy uhlíku plně konjugovány.

Matteo Pasquali, profesor na Rice University (vlevo) a Dr. Mehdi Razavi z Texas Heart Institute, při kontrole vlákna uhlíkových nanotrubek upravených v Pasqualiho laboratoři tak, že jsou vhodné k vytváření elektricky vodivých přemostění na srdečním svalu. Kredit: Texas Heart Institute.

To, co vědci k šití srdcí použili  a označují zkratkou CNTf, ve skutečnosti také jsou uhlíková vlákna, jen jsou upravená. Vylepšování požadovaných vlastností jim zabralo šest let pokusů. Materiál s vlastnostmi, který začal vyhovovat chirurgům, získali, až když začali spřádat krátká vlákna do delších. Klesla tím o něco pevnost výsledného vlákna, ale vylepšila se poddajnost a vlákno nepřipomínalo tolik vlastnostmi „drát“. Metodě přípravy říkají mokré zvlákňování.

Schéma „První in vivo rekonstrukce přirozeného elektrického signálu pomocí syntetického materiálu“. Kredit: Texas Heart Institute.

Pokud byste si jejich CNTf chtěli vyrobit, potřebujete k tomu jako výchozí surovinu  krátká klasická uhlíková nanovlákna. Ta se máčí v kyselině chlorsulfonové. Následuje odstředění v acetonové lázni a  promývání vodou sloužící zde jako koagulant. Poté se vlákna půl dne pečou při 115 stupních Celsia. Pak jim začnou říkat „vysoce krystalovaná“ a vhodná například pro výrobu elektrod. Pro takové potřeby je stačí opatřit „bužírkou“ z polystyren-polybutadienu, která se na obou koncích svlékne, čímž na vláknu vzniknou dvě elektricky aktivní místa a vlákno je pro potřeby elektrody (nejen na srdci) připravené k použití (podrobně je vše popsáno v připojené literatuře).

Pro potřeby šití na srdci ve stahujícím se svalu srdeční komory, bylo třeba z jednotlivých vláken připravit něco trvanlivějšího a odolnějšího. Optimem se ukázala být „nit“ zhruba z deseti spojených vláken. Na konec takového spleteného vlákna se nasazuje jehla. Má hladký konec, nemá dírku a nit se nenavléká, aby rozšíření netrhalo svalovinu. Na druhý konec se podobně jako v případě jehly, pak nasazuje „uzlík“. Takto připravená CNTf vlákna mají lepší vlastnosti, než když se k šití použije surové grafenové vlákno. „Nit“ je poddajnější, neprořezává tkáň, je pružná, pevná, trvanlivá a to nejdůležitější – má potřebnou vodivost. Pro potřebu šití na srdci se dělají krátké, na délku mají jen okolo pěti centimetrů. Na srdce hlodavců mají průměr 26 µm, a pro velké savce 43 μm.

Fotografie ukazuje ovčí srdce s vláknem CNTf všitým přes půlkruhovou jizvu a její vodivé přemostění. Rovné dlouhé útvary okolo jizvy jsou měřící snímací katétry (pro potřebu pokusu). Čísla 1–10 odpovídají poloze bipolárních elektrogramů. Reprezentativní příklady epikardiálních elektrogramů a časy lokální aktivace dokládající nápravu nemocného srdce lze nalézt v publikaci McCauley et al.,Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology (2019). Pod obrázkem je vidět „šitíčko, kterým přemostění provedli. Kredit: Texas Heart Institute.

Ověřování vhodnosti materiálu k novým léčebným postupům se ani tentokrát neobešlo bez pokusných zvířat. Imitaci infarktu jim vědci přivodili radiofrekvenční ablací. Na myokardu jim tím vznikla akutně zjizvená tkáň ve tvaru podkovy. Podobné poškození se vytváří i nám po prodělaném infarktu. V chorobopisu se pak dočteme monomorfní komorová tachykardie. Její příčinou bývá právě  ono zpomalení vodivosti myokardu podél infarktového okraje ventrikulární jizvy.

Obdobné cívky by brzo mohly být běžnou součástí výbavy operatérů. Kredit: Texas Heart Institute.

Pravdou je, že porouchaný srdeční rytmus již dokážeme resetovat, například pomocí defibrilátoru, ale neřeší to nápravu vodivosti myokardu. Tato studie na vědomost všem dává, že se podařilo připravit první vhodný biokompatibilní materiál s elektrickou vodivostí, který je pevností a flexibilitou vhodný pro zajištění přímého přenosu elektrických signálů mezi oddělenými oblastmi. Materiál schopný restorativně řešit komorovou tachykardii.

Vše nasvědčuje tomu, že vědci konečně dali doktorům k dispozici vlákna, která mají pro používání v srdeční chirurgii všech pět „P“. Svalová tkáň je toleruje. Neprovokují imunitní systém. Je dostatečně pevný a poddajný pro práci, zároveň trvale pružný, což je na stahujícím se srdci vlastnost pro dlouhodobou funkci podstatné. Tím rozhodujícím je, že jejich elektrický deklarovaný odpor je jen 1,9×10⁻⁶ Ω/m), což je činí dostatečně vodivá, aby elektrické impulsy přes  vazivové bloky mezi svalovými oblastmi převedla. Aby nedošlo k nepochopení, nejde tu o náhradu všech kardiostimulátorů, i když některých nejspíš ano. Důležité je, že k vylepšení převodu impulsů dojde s nimi, i bez nich.

Teď se autoři hodlají soustředit na to, aby se jejich vlákna dala zavádět co nejméně invazivními technikami. Nevyřešenou otázkou také je, co se bude dít, když se vlákna použijí na srdci, které ještě roste.

Závěr

Uhlíková vlákna se z kokpitů monopostů a neprůstřelných vest se v upravené formě brzo dostanou i na špulky šitíček chirurgů. Zveřejněné výsledky pokusů na hlodavcích a ovcích jsou natolik přesvědčivé, že jsou předzvěstí úspěšnosti zahajovaných klinických zkoušek.

Vědátoři se již nechali slyšet, že o jejich vodivé nitě není zájem jen od těch, kteří pracují za dveřmi s nápisem „Kardio“, ale i od jejich kolegů, kteří mají na cedulce „ORL“. Podle zatím nepublikovaných výsledků s upravenými uhlíkovými nanovlákny lze vylepšovat sluch těm, kteří jsou odkázáni na implantaci kochleárních implantátů.

To vše je nejspíš jen začátek, neboť míst, kde se nějaká ta nevodivost sama ráda vyvrbí, nebo si ji vlastním přičiněním, či cizí hloupostí přivodíme, a hodilo by se jí překlenout, je v našich tělesných schránkách dost. Své k novým vodivým „nitím“ mají brzo říci i neurologové.

Literatura

Mark D. McCauley, Flavia Vitale, J. Stephen Yan, Colin C. Young, Brian Greet , Marco Orecchioni , Srikanth Perike , Abdelmotagaly Elgalad , Julia A. Coco , Mathews John , Doris A. Taylor , Luiz C. Sampaio , Lucia G. Delogu , Mehdi Razavi , Matteo Pasquali.: In Vivo Restoration of Myocardial Conduction With Carbon Nanotube Fibers, Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 2019

Natnael Behabtu,1 Colin C. Young, Dmitri E. Tsentalovich, Olga Kleinerman, Xuan Wang, Anson W. K. Ma, E. Amram Bengio, Ron F. ter Waarbeek, Jorrit J. de Jong, Ron E. Hoogerwerf, Steven B. Fairchild, John B. Ferguson, Benji Maruyama, Junichiro Kono, Yeshayahu Talmon, Yachin Cohen, Marcin J. Otto, Matteo Pasquali.: Strong, Light, Multifunctional Fibers of Carbon Nanotubes with Ultrahigh Conductivity, Science, 2013 VOL 339.