Perentak jantung genetik yang dikuasakan oleh cahaya 16.07.2015

Walaupun perentak jantung menyelamatkan banyak nyawa - mengikut statistik, lebih daripada 3 juta orang di seluruh dunia membawa peranti sedemikian - penggunaannya dikaitkan dengan kesulitan tertentu. Perentak jantung, atau perentak jantung buatan, membantu memulihkan kekerapan normal dan berkala kontraksi jantung - jika tidak, gangguan irama boleh membawa kepada akibat yang agak serius untuk seluruh organisma, sehingga kematian. Tetapi agar perentak jantung berfungsi, elektrodnya mesti ditanam di dalam jantung, wayar dari mereka mesti disambungkan ke penjana nadi, yang ditanam di bawah kulit.

Lama kelamaan, perentak jantung menjadi lebih kecil, dan menjadi mungkin untuk memasukkan elektrod dengan wayar ke dalam jantung menggunakan kateter hanya melalui urat. Walau bagaimanapun, tidak kira betapa kecil perangsang dan tidak kira betapa nipis wayarnya, ia masih perlu menukar bateri, yang bermaksud operasi yang tidak dapat dielakkan, walaupun kecil. Selain itu, wayar dengan elektrod yang sampai ke jantung boleh haus dan perlu ditukar dari semasa ke semasa. Sebaliknya, disebabkan keperluan untuk menarik wayar, kita tidak boleh meletakkan perangsang di mana-mana yang kita mahu, dan kita tidak boleh menggunakan banyak mata untuk rangsangan. Jantung itu sendiri tidak selalu "suka" dirangsang oleh peranti luaran. Akhirnya, jika kita bercakap tentang kanak-kanak, maka tidak selalu mungkin bagi mereka untuk meletakkan perentak jantung buatan sama sekali.

Udi Nussinovitch dan Lior Gepstein dari Institut Teknologi Technion Israel telah menghasilkan sejenis model perentak jantung yang tidak mempunyai wayar, tiada elektrod, tiada bateri dan yang benar-benar berfungsi dalam cahaya. Malah, tidak ada perangsang dalam bentuk peranti luaran sama sekali - para penyelidik memperkenalkan pengubahsuaian optogenetik ke dalam sel jantung, yang memungkinkan untuk mengawal kontraksi jantung. Maksud umum kaedah optogenetik ialah gen protein fotosensitif dimasukkan ke dalam sel - protein sedemikian, setelah disepadukan ke dalam membran sel, membuka saluran ion dalam membran sebagai tindak balas kepada nadi cahaya. Dan seperti yang kita ketahui, ia adalah pengagihan semula ion pada kedua-dua belah membran yang menghasilkan impuls elektrokimia. Optogenetik telah menemui penggunaan terluas dalam neurobiologi: dengan memperkenalkan protein sensitif cahaya ke dalam neuron, kita boleh sewenang-wenangnya, menggunakan isyarat cahaya, menjana isyarat dalam rantaian neuron.

Tetapi selepas semua, irama jantung juga bergantung kepada impuls elektrokimia (ingat bahawa, walaupun terdapat gentian sistem saraf autonomi di dalam jantung, beberapa sel miokardium khas boleh sendiri menjana isyarat berirama, membentuk apa yang dipanggil sistem pengaliran jantung) . Dan tiada apa yang menghalang pengenalan mekanisme optogenetik di dalam hati.

Para penyelidik melakukan perkara itu: dengan bantuan virus "domestik" khas, mereka memperkenalkan protein peka cahaya alga ChR2 (channelrhodopsin-2), yang bertindak balas kepada cahaya biru, ke dalam ventrikel jantung tikus. (Alga hijau bersel tunggal, seperti Chlamydomonas, menggunakan protein ini untuk mencari tempat yang lebih terang.) Penulis menulis bahawa mereka boleh menala degupan jantung haiwan itu dengan kilatan biru. Virus ini membolehkan anda menghantar protein ke pelbagai bahagian otot jantung, jadi anda boleh mengawal jantung dengan kecekapan yang lebih besar, kerana banyak sel dari tempat yang berbeza bertindak balas kepada isyarat luaran sekaligus.

Untuk "menghidupkan" optoprotein, tiada elektrod diperlukan: cahaya biru dari luar, walaupun ia menembusi tisu hidup agak teruk, masih boleh sampai ke jantung. Tetapi - hanya jika kita bercakap tentang tikus. Dalam haiwan yang lebih kurang besar, apatah lagi seseorang, hati terletak lebih dalam, jadi di sini anda perlu memikirkan berapa lama gelombang cahaya dapat mencapainya dan, dengan itu, protein sensitif cahaya apa yang diperlukan. Kawasan merah dan inframerah spektrum mungkin sesuai di sini, dan jika ia melibatkan eksperimen dengan primata, ini ialah panjang gelombang yang akan digunakan.

Perlu diingat, bagaimanapun, terdapat pendekatan lain untuk penciptaan perentak jantung tanpa wayar. Kira-kira setahun yang lalu, kami menulis tentang perkembangan pekerja Universiti Stanford yang mencadangkan untuk menyokong kerja perentak jantung menggunakan penjana gelombang elektromagnet yang terletak hanya di permukaan badan. Idea lain adalah milik penyelidik dari University of Illinois di Urbana-Champaign - mereka dapat membuat perentak jantung berfungsi dari otot jantung itu sendiri, disebabkan oleh tenaga kontraksinya. Tetapi, sudah tentu, pendekatan optogenetik kelihatan paling radikal - tidak perlu menanam sebarang peranti di dalam hati sama sekali.