Energia atomica per il cuore

Il problema della longevità delle batterie dei pacemaker (PM) è antico quanto il pacemaker stesso. La progettazione e l’impiego clinico di pacemaker con pile atomiche è stato un tassello importante dell’evoluzione tecnologica che ha portato allo sviluppo delle batterie contenute nei moderni device. Per la rubrica “Pietre Miliari” questo mese ripercorriamo insieme la storia dei pacemaker atomici.

La sfida tecnologica

In un momento critico per evoluzione dei pacemaker, la ricerca di una fonte energetica affidabile portò all’utilizzazione di pile atomiche. I pacemaker sono nati prima che la tecnologia delle batterie fosse all’altezza dell’esigenza di sicurezza e longevità necessarie a garantire la safety dei pazienti. Il cardiologo Victor Parsonnett nel 1960 propose all’Atomic Energy Commission la realizzazione di piccole pile atomiche che potessero alimentare i pacemaker per almeno 10 anni. La tecnologia dei pacemaker si fondava sul principio della generazione termoelettrica dell’energia elettrica con il calore sviluppato dal Plutonio-238. Questa tecnologia semplice ed efficace è alla base del Radioisotope Thermoelectric Generator, indispensabile per fornire energia elettrica ai satelliti artificiali in missione nello spazio profondo. L’Atomic Energy Commission, forte della sua esperienza con il generatore termoelettrico SNAP 15 al Plu-238 impiegato come fonte energetica di lunga durata nelle boe oceaniche, decise di accettare la proposta di Parsonnet. La sfida per la Atomic Energy Commission fu quella di sviluppare un pacemaker che avesse una durata di almeno 10 anni con un limite di confidenza del 90%. In Europa si produsse un analogo sforzo per realizzare pile termoelettriche al Plu-238. Il successo arrise al vecchio Continente: il primo impianto al mondo fu realizzato in Francia da Laurens e collaboratori che utilizzarono un pacemaker atomico Medtronic equipaggiato con una pila Alcatel (Figura 1).

Il primo PM atomico USA fu realizzato da ARCO. Anche Cordis, Coratomic e Medtronic produssero PM con pile al Plu-238. La scelta cadde sul Plu-238 per le sue caratteristiche: non è fissile, decade con un’emivita di 87 anni emettendo particelle α (nuclei di elio con bassa capacità di penetrazione dovuta all’elevata sezione d’urto della particella) e produce 0.5 watt per grammo. La notevole capacità termica e la possibilità di schermarne la radiazione consentivano alle piccole capsule di combustibile di raggiungere i 200 ℃ garantendo un efficace trasferimento energetico nella termocoppia. La pila al plutonio era sicura: il diossido di plutonio ceramico ha un altissimo punto di fusione (2.600 ℃) e una bassissima solubilità in acqua. Un triplice rivestimento in titanio ne garantiva una resistenza sia allo schiacciamento (2 tonnellate) che alle alte temperature (850℃ per 30’).

La parabola dei pacemaker atomici

La prima Review sull’esperienza con i PM atomici fu pubblicata nel 1970 dal gruppo di Nicholas P.D. Smyth del Washington Hospital Centre e riguardava 59 Pazienti sottoposti a impianto di pacemaker ARCO, Medtronic, Coratomic e Cordis (1). Nel 1995 il gruppo guidato da Christophe Chauvel a Parigi presentò una casistica di 325 pazienti che furono sottoposti all’impianto di pacemaker Medtronic (Modelli 9000 e 9090) (Figura 2) nel periodo compreso tra aprile 1970 e luglio 1982. Anche in questa casistica la performance (durata e affidabilità) dei dispositivi impiantati fu eccezionale. In particolare, in questa serie, il 97% dei dispositivi ebbe una durata operativa di 18,5 anni e si ebbero solo 6 casi di malfunzionamento esclusivamente delle componenti elettroniche. Nel corso del follow-up 45 donne concepirono un figlio, portando regolarmente a termine la gravidanza.

Il New Jersey Pacemaker and Defibrillator evaluation Center at Newark Beth Israel Medical Center, diretto da Victor Parsonnet, pubblicò nel 2005 la propria esperienza. Il gruppo di Newark impiantò 164 pacemaker atomici tra il 1973 e il 1987. Dopo 31 anni, 12 pazienti erano ancora vivi e si sottoponevano a regolari controlli; 11 pacemaker durarono più di 20 anni. Nei 50 pazienti deceduti il loro pacemaker originale era ancora perfettamente funzionante. La casistica di Parsonnet confermò l’eccezionale affidabilità della pila termoelettrica al Plu-238: nei 15 pacemaker espiantati a causa di malfunzionamenti dei circuiti elettronici o delle batterie non si verificarono mai fughe radioattive (2). Christophe Chauvel ha infine stimato che nel mondo sono stati impiantati circa 3000 pacemaker atomici al Plu-238 senza che si sia mai verificato alcun danno alle persone. I rari malfunzionamenti furono dovuti a problemi a carico dei circuiti, dei cateteri e solo eccezionalmente a scarica prematura della batteria (3).

In Italia i primi passi del pacemaker al litio Iodio furono ben documentati dal Professor Antonioli che il 19 luglio 1972 impiantò un pacemaker asincrono alimentato da una batteria al litio (4). Il pacemaker fu sviluppato dalla ditta LEM che aveva ottenuto dall’ingegner Greatbatch dei prototipi delle pile al litio-iodio. Lavorando in autonomia sviluppò i circuiti ed eseguì i test di laboratorio.

Per quanto riguarda l’esperienza italiana con i pacemaker al Plu-238 non sono disponibili dati di letteratura. Una stima del numero dei pacemaker radioisotopici impiantati in Italia può essere ottenuta ipotizzando che, come in Francia, i modelli Medtronic con la pila Alcatel siano stati i più diffusi. Grazie alla preziosa collaborazione di Clara Pensieri (DIRECTO) e di Fulvia Meroni (Regulatory Affairs Manager), sui pacemaker modello 9000 e 9090 risulta quanto segue: sono rimasti in produzione dal 1973 al 1978, ne furono distribuiti in tutto il mondo circa 1.450, in Italia 16. La Medtronic ha tracciato i dati sugli espianti (smaltimento controllato) dai seguenti Ospedali: 1 a Bologna – S. Orsola, 3 ad Ancona – Lancisi, 2 a Udine, 1 a Genova – S. Martino. I dati potrebbero essere completati dalle segnalazioni dei colleghi che furono protagonisti di questo importante capitolo della storia dei pacemaker.

Nonostante la grande affidabilità dei pacemaker atomici, la repentina ascesa delle batterie al litio-iodio indusse i costruttori ad abbandonare tra il 1982 ed il 1987 la produzione delle pile atomiche. I limiti dimensionali, le severissime norme precauzionali e la paura del nucleare limitarono sempre più l’utilizzo dei pacemaker radioisotopici. Nello stesso periodo la tendenza alla riduzione delle dimensioni dei pacemaker in atto favoriva sempre più i pacemaker al litio-iodio. Il 1979 fu un anno fatidico: l’incidente nella centrale nucleare di Thre-Mile Island e il definitivo successo industriale della pila del geniale Wilson Greatbath avevano segnato il destino dei pacemaker atomici.

a cura di Achille Giardina

Bibliografia
1. Smyth NP, Keshishian JD, Garcia JM, et al. Clinical experience with the isotopic cardiac pacemaker. Annals of Thoracic Surgery 1979; 28: 14-21.
2. Parsonnet V, Driller J, Cook D, Rizvi SA. Thirty-one years of clinical experience with “nuclear-powered” pacemakers. Pacing and Clinical Electrophysiology 2006; 29: 195-200.
3. Chauvel C, Lavergne T, Cohen A, et al. Radioisotopic pacemaker: long-term clinical results. Pacing and Clinical Electrophysiology 1995; 18: 286-92.
4. Antonioli GE. Lithium pacemaker: the first clinical experience. Pacing and Clinical Electrophysiology 1990; 13: 363-70.