Ученые под руководством специалистов из Боннского университета (Германия) впервые провели эксперимент, во время которого сердечный ритм у животных с жизнеугрожающей аритмией восстановили с помощью света. А точнее, с помощью оптогенетического метода.
Оптогенетика – одно из самых интересных и активно развивающихся направлений в науке. В 2010 году журнал Science назвал оптогенетику «прорывом десятилетия». Как можно догадаться из названия, оптогенетика сочетает подходы генетики и оптики. А применяется для контроля электрической активности электровозбудимых клеток (у человека это – нейроны и мышечные волокна).
Оптогенетика широко применяется в нейронауках, в особенности, в области изучения работы мозга человека. Здесь, благодаря этому методу, удалось сделать немало важных открытий. Вот как работает этот метод в этой области: в нейроны вносят специальные светочувствительные белки - опсины. После успешного внесения таких белков нейроны становятся чувствительными к свету. В результате, можно изменять их активность, просто освещая их светом с определенной длиной волны. Например, воздействие синим светом приводит к возбуждению нейрона, а желтым - подавляет активность нейрона, вызывая торможение.
Существуют нейроны, чувствительные к свету «от природы», например, клетки сетчатки глаза. Они содержат рецептор родопсин, который состоит из белка, называемого опсином, и кофактора ретиналя - производного витамина А. Другие же клетки, чувствительностью к свету не обладают. Но их можно этому «научить» - внедрив в них ген рецептора родопсина.
Лучше всего «видят» свет водоросли
Удивительно, но как выяснилось, родопсин есть не только у млекопитающих, но и у одноклеточных зеленых водорослей. Ген родопсина этих водорослей можно доставить в клетки с помощью генно-инженерных вирусов, которые сильно изменены и не способны размножаться. Они эффективно проникают в клетки и вырабатывают в них родопсин, в остальном для организма экспериментального животного они безвредны.
Методы оптогенетики широко применяются в нейрофизиологических исследованиях. Но примерно в 2010 году у ученых возникла идея применения этих методов в кардиологии. Тогда начали разрабатывать новые устройства, которые могли бы заменить кардиостимуляторы и дефибрилляторы. Предполагалось, что функционирование мышечных клеток-пейсмейкеров будет контролироваться светом вместо электрических импульсов.
Дефибриллятор обычный и световой
Кардиостимуляторы и дефибрилляторы позволяют в определенном ритме подводить электрические сигналы к сердцу – они поддерживают его работу и устраняют аритмию. Но использование этих устройств связано с определенными рисками. Во-первых, их установка в сердечную мышцу – это сложная операция, которая может вызвать повреждение сердечной ткани. Во-вторых, батарея просто может дать сбой. И, наконец, электрические кардиостимуляторы, которые применяются в настоящее время, устраняют приступ аритмии, но при этом вызывают сильную боль из-за возбуждения скелетных мышц.
У оптогенетики здесь есть несколько преимуществ: это, прежде всего, селективное возбуждение только эндокарда. При этом никакой боли пациент не чувствует.
Первые эксперименты по созданию и тестированию оптогенетических кардиостимуляторов прошли успешно. Но все они проводились исключительно in vitro. Как будут вести себя такие устройства в организме, оставалось непонятным.
В своем нынешнем эксперименте ученые решили выяснить, как будет работать такой оптогенетический кардиостимулятор в организме мышей с мерцательной аритмией.
Вначале они внедрили в организм животных ген родопсина с помощью вируса. Этот ген оказался и в кардиомиоцитах - поэтому они стали обладать светочувствительностью. Когда у животных начался приступ аритмии, то воздействие в течение одной секунды импульсом синего света этот приступ снимало.
Чтобы ответить на вопрос, можно ли использовать этот метод для лечения сердечной аритмии у людей, ученые провели эксперимент на компьютерной модели.
«Тестирование оптогенетического дефибриллятора на компьютерной модели, которая воспроизводила мерцательную аритмию у человека, показало, что метод работает», - говорит ведущий автор исследования профессор Патрик Бойль (Patrick Boyle).
«Конечно, нужно понимать, что это пока лишь эксперимент, и до внедрения этого метода в клиническую практику в кардиологии, вероятно, пройдет не меньше 5-10 лет», - считает другой автор работы профессор Филипп Сасс (Philipp Sasse).
Здесь можно добавить, что основным препятствием к применению этого подхода в кардиологии является то, что пока никто не решился внедрить светочувствительные белки в интактное сердце взрослого человека. И второе – это проблема доставки света к клеткам сердца. Эта задача тоже не решена.
О результатах своей работы авторы сообщают в свежем выпуске Journal of Clinical Investigation.
