Этот «светящийся цветок» может изменить то, как мы изучаем и лечим сердечные аритмии

Устойчивый ритм сердцебиения – это то, что может легко отойти на задний план в нашей повседневной жизни, если мало думать о достоверности его пульса.

Но для тех, у кого развивается аритмия, Ситуация гораздо более опасна — их сердцебиение отслеживается и контролируется спасательными устройствами, называемыми кардиостимуляторами, которые посылают контролируемые импульсы сердцу, чтобы оно перестало дрожать и давало ему возможность снова найти свой ритм.

Учеба широкий спектр способов, которыми сердце может спотыкаться и заикаться, превращаясь в дрожащую кашу, часто использует маленьких животных в качестве моделей. Но, несмотря на их удобство и этические преимущества, их размер может затруднить мониторинг и реагирование на изменения в их крошечных сердцах.

Теперь группа ученых во главе с инженером-биомедиком Филиппом Гутруфом из Университета В Аризоне разработали имплантируемое устройство, которое значительно упрощает изучение кардиологии мелких животных. В качестве бонуса, однажды оно может стать основой совершенно нового способа лечения сердечных заболеваний у людей.

Устройство было разработано так, чтобы быть достаточно гибким для небольших испытуемых, обеспечивая лучшее разрешение для наблюдения за их состоянием. электрофизиология сердца. Используя свет вместо электрических сигналов, он производит более мягкие импульсы при обнаружении аномальных ритмов.

В отличие от электрических сигналов существующих кардиостимуляторов, которые могут мешать возможностям записи и оставлять врачам неоднородную картину сердечных приступов, использование свет для стимуляции сердца означает, что система может обеспечивать непрерывную запись паттернов сердцебиения — даже когда требуется дефибрилляция.

«Существующие кардиостимуляторы в основном регистрируют простой аритмия, теперь шок!», — объясняет Гутруф.

«Но на борту этого устройства есть компьютер, на котором вы можете вводить различные алгоритмы, позволяющие вам более сложно регулировать ритм. Оно создано для исследований».

Устройство пока тестировали только на мышах, но исследователи разработали его для более точной и, возможно, менее болезненной стимуляции сердца.

Он работает с использованием техники, называемой оптогенетика, в соответствии с которой возбудимые клетки, подобные клеткам сердце или мозг могут быть активированы по требованию с помощью света. В этом случае кардиомиоциты мыши (клетки сердечной мышцы) были генетически сконструированы для экспрессии связанного с мембраной белка, чувствительного к синему свету. Включите свет, и клетки начнут действовать.

Красота устройства заключается в его мягких тонкопленочных массивах, которые расходятся, как лепестки цветка, и обволакивают сердце. Это плотное прилегание сильно отличается от того, как современные кардиостимуляторы подключаются к сердцу через один или два электрода, имплантированных в орган.

Люди, у которых установлены кардиостимуляторы, могут испытывать дискомфорт и судорожную боль вокруг места имплантации. В некоторых редких случаях у них может даже развиться комплексный регионарный болевой синдром в грудной клетке.

Стимуляция сердца через одну или две контактные точки также делает дефибрилляцию сердца менее точной, чем в идеале.

«Все клетки внутри сердца поражаются одновременно, включая болевые рецепторы, и именно это делает кардиостимуляцию или дефибрилляцию болезненными», — объясняет Гутруф. «Он влияет на сердечную мышцу в целом».

Вместо этого новое устройство, активирующее только клетки сердечной мышцы, которые вызывают сокращение и минуя болевые рецепторы, исследователи надеются, что оно может предложить более удобный и точный способ синхронизации нерегулярных сердечных сокращений.

«В то время как сейчас для этого нам нужно электризовать все сердце, эти новые устройства могут гораздо точнее нацеливаться, делая дефибрилляцию более эффективной и менее болезненной», — говорит Игорь. Ефимов, инженер-биомедик из Северо-Западного университета.

Как описывает команда в своей статье, прототип устройства был имплантирован сразу за пределы грудной клетки мыши с помощью специального аппликатора и одного шва, разделяющего частоту сердечных сокращений. данные по инфракрасной восходящей линии связи.

Исследователи сначала проанализировали геометрию и механику бьющегося мышиного сердца, используя эту информацию для разработки и лазерного изготовления гибкой сетки с четырьмя зубцами, чтобы она могла двигаться вместе с сердцем. когда он выбил бит.

Испытывая беспроводное устройство на свободно движущихся мышах, исследователи показали, что устройство может обнаруживать аномальные ритмы и стимулировать или «стимулировать» сердце с точностью до миллисекунды — и без тепла от световых импульсов, повреждающих сердечную ткань.

Точность устройства в обнаружении аномальных сердечных сокращений также была сопоставима с текущими коммерчески доступными беспроводными устройствами для мониторинга сердечного ритма, сообщают исследователи.

Хотя результаты исследований на животных, подобных этому, многообещающие, пока еще очень рано использовать оптогенетику на людях. Этот метод требует генной терапии (чтобы сделать клетки светочувствительными), а также имплантируемого электронного устройства для их контролируемой стимуляции.

Хотя оптогенетика использовалась в клинических испытаниях для лечения редких наследственных заболеваний глаз, использование этого метода для мониторинга и, возможно, лечения аномалий сердца остается новым подходом, который требует гораздо большего количества исследований в первую очередь на животных.

Есть множество проблем, которые необходимо решить, включая безопасную и эффективную доставку генетических инструкций, кодирующих светочувствительных белков к клеткам сердца.

Также необходимо проделать дополнительную работу, чтобы смоделировать тонкости нарушений сердечного ритма и усовершенствовать методы этого конкретного устройства для обнаружения и коррекции различных видов аритмий, отмечают Гутруф и его коллеги. .

Итак, на данный момент похожее на цветок устройство является одним из многих, которые представляют собой элегантный исследовательский инструмент для изучения аритмий и других проблем с сердцем в том виде, в котором они возникают, по крайней мере, на животных моделях.

Исследование была опубликована в журнале Science Advances

.