В статье, опубликованной в августе. 28 в онлайн-журнале Nature Communications пять инженеров-биомедиков из университетов Джона Хопкинса и Стоуни-Брук описали свой план по использованию данных биологических лабораторий и сложной компьютерной модели для разработки лучшего способа исцеления больного сердца. Другие ученые уже используют светочувствительные клетки для управления определенной деятельностью мозга.
Исследователи Johns Hopkins-Stony Brook говорят, что они планируют использовать эту технику для сердечного приступа, чтобы врачи в ближайшем будущем могли использовать свет с низким энергопотреблением для решения серьезных проблем с сердцем, таких как аритмия.
«Применение электричества к сердцу имеет свои недостатки», – сказала руководитель проекта Наталья Траянова, специалист Murray B. Профессор Сакса биомедицинской инженерии в Университете Джона Хопкинса. "Когда мы используем дефибриллятор, это все равно, что открыть дверь, потому что у нас нет ключа. Он применяет слишком много силы и слишком мало изящества. Мы хотим контролировать это лечение более разумным способом.
Мы думаем, что можно использовать свет, чтобы изменить поведение сердца, не разрушая его."
На этом рисунке оптрод слева направляет синий свет в сердце через оптоволоконный наконечник. На увеличении справа клетка сердца (большой красный овал) содержит имплантированный светочувствительный белок «опсин» (синий овал), который работает вместе с собственными белками сердца (желтые овалы). Эта командная работа позволяет клетке преобразовывать световую энергию в электрический удар, который вызывает здоровое сердцебиение.
Графика Патрика М. Бойл.
Чтобы добиться этого, команда Траяновой погружается в сферу оптогенетики, которой всего около десяти лет. Оптогенетика, впервые разработанная учеными из Стэнфорда, относится к внедрению в клетки светочувствительных белков, называемых опсинами. Под воздействием света эти белки становятся крошечными порталами внутри клеток-мишеней, позволяя потоку ионов – электрическому заряду – проходить через них.
Ранние исследователи начали использовать эту тактику для контроля биоэлектрического поведения определенных клеток мозга, что стало первым шагом на пути к лечению психических расстройств светом.
В статье Nature Communications исследователи сообщили, что они успешно опробовали этот же метод на сердце, которое «бьется» внутри компьютера. Траянова потратила много лет на разработку высокодетализированных компьютерных моделей сердца, которые могут моделировать сердечное поведение от молекулярного и клеточного уровней до сердца в целом. В Johns Hopkins она руководит лабораторией вычислительной кардиологии в Институте вычислительной медицины.
Как подробно описано в статье журнала, компьютерная модель Джонса Хопкинса для лечения сердца светом включает биологические данные из лаборатории Стоуни-Брук Эмилии Энтчевой, доцента кафедры биомедицинской инженерии. Сотрудники Stony Brook работают над методами, которые сделают ткани сердца светочувствительными, введя опсины в некоторые клетки. Они также проверит, как эти клетки реагируют на свет. «Эксперименты в этой лаборатории позволили получить данные, которые мы использовали для построения нашей компьютерной модели для этого проекта», – сказала Траянова. "По мере того как лаборатория Стоуни-Брук генерирует новые данные, мы будем использовать их для уточнения нашей модели."
В собственной лаборатории Траяновой члены ее команды будут использовать эту модель для проведения виртуальных экспериментов.
Они попытаются определить, как расположить и контролировать светочувствительные клетки, чтобы помочь сердцу поддерживать здоровый ритм и насосную активность. Они также попытаются определить, сколько света необходимо для активации процесса заживления. Общая цель – использовать компьютерную модель, чтобы приблизить исследования к тому дню, когда врачи смогут начать лечить своих сердечных пациентов мягкими световыми лучами. Исследователи говорят, что это может произойти в течение десяти лет.
«Самое многообещающее в наличии такой точной и надежной цифровой структуры – это то, что мы можем предвидеть, какие эксперименты действительно стоит провести, чтобы продвигать эту технологию быстрее», – сказал Патрик М. Бойл, научный сотрудник лаборатории Траяновой и ведущий автор статьи в Nature Communications. "Одна из замечательных особенностей использования света заключается в том, что он может быть направлен на очень определенные области. Это также требует очень мало энергии.
Во многих случаях это менее вредно и более эффективно, чем электричество."
После того, как технология будет отработана с помощью тестов компьютерного моделирования, ее можно будет использовать в световых кардиостимуляторах и дефибрилляторах. Интересно отметить, что это был исследователь в области электротехники Джона Хопкинса Уильям Б. Кувенховен, который разработал электрический дефибриллятор сердца закрытого типа, который использовался с 1950-х годов для спасения жизней.
Траянова была старшим автором статьи в Nature Communications. Соавторами выступили Энтчева и два члена лабораторной команды Энтчева: аспирант Джон С. Уильямс и научный сотрудник Кристина М. Амбрози.
Ведущий автор Бойл, получивший докторскую степень.D. в Университете Калгари, поддерживается стипендиями Совета естественных наук и инженерных исследований Канады. Это исследование также было поддержано грантами Национального института здравоохранения R01 HL111649 и R01 HL103428 и грантами Национального научного фонда NSF-CDI-1124804 и NSF-OCI-108849.