Investigadores de la Universidad de Northwestern han desarrollado el primer dispositivo capaz de monitorear continuamente los signos vitales de un feto mientras aún se encuentra en el útero, un logro que hasta ahora era imposible.
Esta sonda robótica, suave y flexible, podría mejorar significativamente la seguridad durante las cirugías fetales, procedimientos en los que los médicos operan al feto antes del nacimiento. Actualmente, los médicos dependen principalmente de mediciones intermitentes de la frecuencia cardíaca fetal mediante imágenes de ultrasonido desde el exterior del cuerpo de la persona embarazada. El nuevo dispositivo, por otro lado, puede insertarse suavemente a través del mismo puerto estrecho que ya se utiliza en las cirugías fetales.
Una vez dentro del útero, el dispositivo mantiene un contacto estable y suave con el feto para rastrear de manera confiable la frecuencia cardíaca, la variabilidad de la frecuencia cardíaca, los niveles de oxígeno en la sangre y la temperatura. En estudios realizados en un modelo animal de gran tamaño, la sonda proporcionó mediciones precisas y de grado clínico, incluso mientras el útero y el feto se movían durante la cirugía. Al rastrear múltiples signos vitales simultáneamente, los cirujanos obtienen una imagen más completa y temprana de la angustia fetal, lo que permite intervenciones más rápidas en caso de complicaciones.
El estudio será publicado el lunes 26 de enero en la revista Nature Biomedical Engineering. Representa la plataforma más pequeña desarrollada hasta la fecha capaz de medir con precisión los signos vitales.
El pionero en bioelectrónica de Northwestern, John A. Rogers, lideró el desarrollo del dispositivo en colaboración con la Dra. Aimen Shaaban, cirujana fetal del Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital of Chicago. Este trabajo se basa en la creciente gama de dispositivos suaves y flexibles de Rogers, diseñados para monitorear la salud de pacientes pequeños y vulnerables, incluidos los bebés prematuros en la unidad de cuidados intensivos neonatales (UCIN).
«Inicialmente, la Dra. Shaaban se comunicó con nuestro laboratorio para preguntarnos si podíamos adaptar nuestros sistemas de monitoreo de signos vitales para bebés prematuros y aplicarlos a los fetos durante la cirugía», explicó Rogers. «Actualmente, los médicos solo tienen una imagen parcial de cómo se encuentra un feto durante la cirugía. Nos enfrentamos al desafío de diseñar una tecnología para monitorear los signos vitales a lo largo del proceso quirúrgico sin crear un punto de acceso invasivo o perturbar los tejidos delicados. Nuestra sonda flexible, similar a un cabello, entra por un puerto ya utilizado en procedimientos fetales mínimamente invasivos y proporciona un monitoreo continuo y completo sin agregar riesgos.»
«Realizar una cirugía fetal con este sensor realmente arroja luz sobre un área que ha estado en la oscuridad durante mucho tiempo», afirmó Shaaban. «Cuando operamos a un bebé después del nacimiento, monitoreamos una variedad de parámetros, incluyendo la presión arterial, los niveles de oxígeno y dióxido de carbono, la frecuencia cardíaca y la respiración. Pero para un feto, que es más sensible que un bebé, estamos muy limitados. No sabemos cuáles son sus signos vitales. A veces, la frecuencia cardíaca fetal disminuye durante este procedimiento, lo que indica bajos niveles de oxígeno o un pH sanguíneo bajo. Una frecuencia cardíaca fetal lenta puede desarrollarse abruptamente e incluso puede presentarse con un paro cardíaco fetal completo. Nuestra capacidad para monitorear al feto no ha cambiado en 40 años. Simplemente no había herramientas disponibles. Esperamos que esta sonda proporcione un monitoreo continuo y multiparamétrico del feto, lo que permitirá realizar ajustes correctivos en una etapa temprana para garantizar el bienestar fetal durante el procedimiento y evitar cualquier inestabilidad.»
Rogers es el Profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia de los Materiales e Ingeniería, Ingeniería Biomédica y Neurocirugía en Northwestern, donde tiene cargos en la McCormick School of Engineering y la Northwestern University Feinberg School of Medicine. También dirige el Querrey Simpson Institute for Bioelectronics y el Querrey Simpson Institute for Translational Engineering for Advanced Medical Systems. Shaaban es cirujana pediátrica y fetal en Lurie Children’s, profesora de cirugía y pediatría en Feinberg y directora de The Chicago Institute for Fetal Health. Rogers y Shaaban codirigieron el estudio con Yonggang Huang, el Profesor Jan y Marcia Achenbach de Ingeniería Mecánica en McCormick y Hedan Bai, una ex compañera postdoctoral del laboratorio de Rogers y actualmente profesora asistente de materiales en ETH Zurich.
Evolución de la cirugía fetal frente al retraso en el monitoreo
En casos raros y complejos, los cirujanos realizan cirugías fetales para corregir afecciones congénitas que alteran la vida o, a veces, amenazan la vida antes del nacimiento. Una de esas afecciones es la espina bífida, que afecta a miles de bebés cada año en los Estados Unidos. Los médicos también pueden realizar cirugías fetales para tratar hernias diafragmáticas graves, obstrucciones del tracto urinario, tumores fetales o el síndrome de transfusión gemelo-gemelo, una complicación grave en la que la sangre fluye de manera desigual de un gemelo al otro. Los cirujanos realizan estos procedimientos tan pronto como en la semana 15 de embarazo.
«La espina bífida es una abertura en la columna vertebral que deja expuesta la médula espinal y los nervios», explicó Shaaban. «Este defecto de nacimiento provoca muchas complicaciones neurológicas, incluyendo parálisis de las piernas e hidrocefalia. La cirugía fetal puede reducir o incluso prevenir estas complicaciones y mejorar la calidad de vida.»
En la última década, los cirujanos han cambiado cada vez más de la cirugía fetal abierta, que requiere una gran incisión en el útero, a los procedimientos fetoscópicos mínimamente invasivos, que utilizan instrumentos diminutos insertados a través de puertos quirúrgicos estrechos. Si bien estos enfoques menos invasivos reducen los riesgos para la madre embarazada, también dificultan el monitoreo del feto.
Ingeniería avanzada en un dispositivo delgado como un cabello
Para abordar este desafío, el equipo de Northwestern diseñó una sonda delgada, similar a un filamento, hecha de materiales suaves y flexibles que pueden operar de manera segura y suave dentro del útero. Con un ancho solo tres veces el diámetro de un solo cabello, la sonda es lo suficientemente delgada como para pasar a través de un tubo estándar que ya se utiliza durante la cirugía fetoscópica, sin requerir incisiones adicionales.
Una vez dentro del útero, los actuadores robóticos suaves permiten al cirujano guiar y posicionar la sonda con precisión. Para asegurar que la sonda permanezca en su lugar, el equipo de Rogers diseñó un pequeño cojín inflable similar a un globo. El cojín incorporado se expande suavemente para mantener la sonda en contacto estable con el feto.
Para optimizar la forma, el movimiento y las fuerzas de contacto de la sonda, Huang y su ex estudiante de doctorado Xiuyuan Li utilizaron el modelado computacional para guiar el diseño mecánico del dispositivo.
«El dispositivo necesita presionar suavemente el tejido para formar el tipo de acoplamiento necesario para medir los signos vitales», dijo Rogers. «Los pequeños globos integrados en la sonda permiten este acoplamiento de manera suave y mínimamente invasiva. Nuestros diseños también utilizan un mecanismo similar para permitir que el filamento se doble o gire, para que los cirujanos puedan posicionarlo robóticamente en una ubicación deseada.»
El equipo integró múltiples sensores en miniatura en la sonda para medir simultáneamente la frecuencia cardíaca fetal, la saturación de oxígeno en la sangre y la temperatura. El dispositivo transmite datos de forma inalámbrica a un monitor fuera del cuerpo, proporcionando a los cirujanos retroalimentación en tiempo real durante el procedimiento.
Tranquilidad en tiempo real
Al permitir un monitoreo continuo y multimodal, el nuevo dispositivo podría ayudar a los cirujanos a intervenir antes o a pausar un procedimiento si un feto muestra signos de angustia. También podría ayudar a brindar a los padres y cuidadores más tranquilidad y paz mental durante las cirugías que generan ansiedad.
«Cuando una madre embarazada necesita una operación fetal, deposita mucha confianza en sus médicos para asegurarse de que sea segura», dijo Shaaban. «Si pudiéramos darle más confianza de que su bebé estará bien, eso sería mejor para todos. Cualquier cosa que podamos hacer para que las operaciones sean más seguras para la madre y para el bebé es una gran victoria.»
El estudio, «A filamentary soft robotic probe for multimodal in utero monitoring of fetal health», fue apoyado por el Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics y la Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital Foundation. Los co-primeros autores del estudio son Jianlin Zhou, Mingzheng Wu y Haohui Zhang, todos compañeros postdoctorales en el laboratorio de Rogers; el Dr. Steven Papastefan, compañero postdoctoral en el laboratorio de Shaaban y residente de cirugía en Northwestern Medicine; y Xiuyuan Li, un ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Huang.
