Il cuore elettrico

C'è la storia di Angeliki Asimaki: a 15 anni, nel 1997, ricevette un pacemaker dopo la diagnosi di un blocco atrioventricolare intermittente, che poteva arrestare il suo cuore fino a 13 secondi. Quell’esperienza la spinse a diventare una ricercatrice: oggi studia nuovi metodi per prevenire la morte cardiaca improvvisa nei bambini. C'è la storia di Miracle Santiago, salvata alla nascita da un pacemaker per un raro difetto cardiaco, che quarant'anni più tardi, nel 2025, ha affrontato con successo un complesso intervento di sostituzione del sistema di stimolazione. E c'è la storia di "Marco" (nome di fantasia), un ragazzo di Bergamo, che soffriva episodi improvvisi di asistolia: nel 2019, quando aveva 14 anni, gli è stato impiantato un micro-pacemaker senza fili, grande quanto una moneta.

Sono migliaia le storie come queste: persone di ogni provenienza e di ogni età salvate da un piccolo strumento che riconosce il ritmo del cuore restituendogli, quando serve, un impulso. E se le unissimo tutte con un filo, queste storie, per cercarne l’origine, potremmo tornare fino alla Bologna di fine ‘700, quando un medico e scienziato, chiamato Luigi Galvani, faceva strani esperimenti usando zampe di rane e macchine elettrostatiche.

Elettricità animale

"Quello che cercava Galvani era una comprensione complessiva del fenomeno della vita, stabilendo un ponte tra l’antica scienza dell’anatomia e la nuova fisica. I suoi esperimenti sono tra i primi a mostrare che una corrente elettrica può attraversare il corpo e produrre una risposta fisiologica: dimostrano che il corpo è un conduttore e che l’elettricità può essere ricevuta, trasmessa e trasformata in movimento". A parlare è Eugenio Bertozzi, professore al Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" e referente scientifico per la Collezione di Fisica del Sistema Museale di Ateneo, dove nelle antiche stanze dell'Istituto delle Scienze bolognese sono custoditi gli strumenti usati da Galvani e dagli scienziati dell'epoca.

Medico, anatomista e docente dello Studium, ma anche custode delle Camere di anatomia dell’Istituto delle Scienze, Luigi Galvani lavorava in un ambiente scientifico nel quale anatomia e fisica cominciavano a incontrarsi. Iniziò a sperimentare con le rane verso la fine degli anni ‘70 del ‘700, dissezionandole per osservarne il sistema nervoso e muscolare. 

Le sue prove più celebri consistevano nel collegare il nervo crurale e il muscolo della zampa con archi metallici: al contatto, il muscolo si contraeva bruscamente, come se fosse attraversato da una scossa. Ma andò anche oltre: mettendo le zampe di rana appese alla ringhiera di una terrazza durante un temporale, oppure posizionando la rana in una stanza collegata a un filo metallico sospeso al soffitto, con una macchina elettrica azionata nella stanza accanto.

"Portando la rana in un’altra stanza e collegandola con un filo orizzontale, Galvani e i suoi collaboratori mettevano alla prova la trasmissione a distanza", spiega Bertozzi. "E si accorsero che, quando dalla macchina elettrica scoccava una scintilla, la rana posta nell'altra stanza si contraeva".

Per spiegare questi fenomeni, nella sua opera più celebre, il "De viribus electricitatis in motu musculari", pubblicato a Bologna nel 1791, Galvani propose l’esistenza di un'elettricità animale propria dei tessuti. Ne nacque una storica controversia con un altro grande scienziato italiano, Alessandro Volta, che portò all'invenzione della pila elettrica. Ma l’intuizione fisiologica di Galvani rimase feconda: nervi e muscoli comunicano attraverso fenomeni elettrici, e quei fenomeni possono essere osservati, misurati e modificati. 

"Galvani immaginava il muscolo come una bottiglia di Leida, cioè come un condensatore capace di accumulare elettricità animale", dice Bertozzi. "I nervi avrebbero trasportato questa elettricità, mentre il cervello avrebbe svolto una funzione analoga a quella della macchina che la produceva".

L'elettrofisiologia moderna avrebbe poi precisato ciò che Galvani non poteva ancora conoscere: l’impulso nasce dal movimento di ioni attraverso le membrane cellulari. Ed è così che arriviamo al cuore.

Un fraseggio naturale

"Tutte le componenti del muscolo cardiaco hanno proprietà elettriche: le fibre del sistema di conduzione sono specializzate, ma anche il tessuto muscolare di lavoro può generare spontaneamente un ritmo", spiega Igor Diemberger, professore al Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche dell’Alma Mater, direttore della Scuola di Specializzazione in Malattie dell'Apparato Cardiovascolare e medico cardiologo all’Unità operativa di Cardiologia dell’IRCCS Policlinico di Sant’Orsola.

Uno degli elementi centrali è il nodo del seno, che si trova allo sbocco della vena cava superiore nel cuore ed è la struttura da cui si origina il normale ritmo cardiaco: non a caso è conosciuto anche come il "pacemaker naturale del cuore". L'impulso elettrico che parte da qui si diffonde negli atri, raggiunge il nodo atrioventricolare al centro del cuore, dove rallenta e poi raggiunge anche i ventricoli. Questo ritardo non è un difetto ma un fraseggio naturale: si contraggono prima gli atri, favorendo il riempimento dei ventricoli che a loro volta si contraggono per portare il sangue in circolo.

Quando però il nodo del seno genera impulsi troppo lentamente, oppure il sistema di conduzione non li trasmette ai ventricoli, la frequenza cardiaca può scendere al punto da provocare stanchezza, vertigini o sincopi. I tessuti a valle del problema possono produrre un ritmo di emergenza, ma si tratta in genere di una frequenza bassa e meno capace di adattarsi allo sforzo. È in questi casi che si parla di bradiaritmie, ed è in questi casi che entra in gioco il pacemaker.

"Le bradiaritmie possono essere disturbi della generazione dell’impulso elettrico, quando è coinvolto il nodo del seno, oppure della sua trasmissione, quando il problema interessa il nodo atrioventricolare o il sistema di conduzione", spiega Diemberger. "In presenza di un blocco atrioventricolare, il ritmo spontaneo sottostante può scendere anche a trenta battiti al minuto: in questi casi, l'inserimento di un pacemaker garantisce una frequenza compatibile con la vita quotidiana".

Stimolare e sentire

Nel 1958, l'ingegnere svedese Arne Larsson si trovava in questa condizione: a seguito di un'infezione virale, la sua frequenza cardiaca scendeva fino a 28 battiti al minuto e arrivava a perdere coscienza da venti a trenta volte al giorno, con prospettive di sopravvivenza quasi nulle. Fu il primo paziente a cui venne impiantato un pacemaker: una tecnologia all'epoca ancora sperimentale, che gli permise però di uscire dall'ospedale e continuare a vivere a lungo. Nel corso degli anni gli furono impiantati più di venti dispositivi diversi, perché inizialmente le batterie avevano capacità ridotte. Ma morì soltanto nel 2001, a 86 anni, a causa di un melanoma.

Oggi un pacemaker tradizionale comprende un generatore collocato sotto la pelle, di solito sotto la clavicola, e uno o più elettrocateteri: dei cavi introdotti attraverso una vena fino al cuore. Nel generatore si trovano batteria, circuiti e software, mentre l'elettrocatetere porta l’impulso al miocardio – il tessuto muscolare che forma la parete centrale del cuore – e riporta al dispositivo i segnali spontanei. 

"Le due funzioni fondamentali del pacemaker sono stimolare e sentire: il dispositivo rileva il ritmo spontaneo e, in base alle regole programmate, decide quando è necessario erogare un impulso", spiega Diemberger. "Ma il circuito di stimolazione non comprende soltanto il pacemaker e l’elettrodo: comprende anche il tessuto del paziente. Se il tessuto nel punto in cui è collocato l’elettrodo è danneggiato, può non funzionare l’intero sistema".

Il verbo decisivo è quindi "sentire". Il dispositivo confronta il segnale rilevato con le regole che sono programmate e interviene quando il battito manca o arriva troppo tardi. Per questo ci sono anche sensori di movimento e di ventilazione, che possono aumentare la frequenza durante l’attività fisica. E i pacemaker più recenti sono anche in grado di registrare aritmie, riconoscere possibili interferenze e rilevare parametri fisiologici utili a monitorare patologie come lo scompenso cardiaco.

Futuro e passato

Quando vennero introdotti i primi pacemaker, il problema principale era la durata della batteria, che costringeva a ripetute sostituzioni. Oggi, però, grazie ai nuovi materiali e agli algoritmi che ottimizzano i consumi, un pacemaker può arrivare a durare anche quindici o vent’anni. L'attenzione si è spostata quindi sugli elettrocateteri, che possono rompersi, infettarsi o venire inglobati dal tessuto fibroso, richiedendo procedure complesse per la rimozione. Da qui nasce una delle linee più visibili dell’innovazione recente: il pacemaker leadless, piccolo come una moneta, che si impianta direttamente nel cuore, senza cateteri transvenosi e senza tasca sottocutanea. Ma l’innovazione tecnologica sta già guardando anche oltre.

"Si stanno sviluppando soluzioni capaci di autoricaricare pacemaker e sono stati sviluppati sistemi nei quali un piccolo elettrodo nel ventricolo sinistro viene attivato dall’esterno mediante ultrasuoni e cristalli piezoelettrici", conferma Diemberger. "Ma ogni nuova tecnologia ha vantaggi e limiti: nella stimolazione cardiaca bisogna sempre trovare un equilibrio tra energia erogata, sicurezza, durata della batteria, stabilità degli elettrodi e necessità del paziente, per garantire una terapia sempre più personalizzata".

Difficile pensare che questi sviluppi straordinari della medicina possano aver avuto come prima scintilla curiosi esperimenti con rane preparate e macchine elettriche. Eppure, una parte del merito di questa rivoluzione è proprio di quel giovane medico bolognese che cercava connessioni tra fisica e anatomia. Eugenio Bertozzi su questo non ha dubbi: "Non possiamo certo attribuire a Luigi Galvani l’invenzione del pacemaker o anticipazioni che i suoi esperimenti non potevano contenere. Ma certamente il suo lavoro aprì strade che nei due secoli successivi avrebbero portato allo studio dell’elettricità cellulare e all’impiego terapeutico degli impulsi elettrici".