震锋笔记 | 让室速终止,只需给心脏一道光

在描述该技术前,先了解一下什么是光遗传学(optogenetics)?

 

 


室性快速性心律失常 (VT) 在器质性心脏病中常见,可以致命,需要立即进行治疗,比如电击复律。最近,有人提出通过光遗传学的方法,用光遗传学技术控制心脏生物电的发生来实现室速复律,从而避免了电击复律带来的不适。但该技术的关键机制和转化上还有很多有待解决的问题。该文作者在病理性重构小鼠心脏中植入多发光二极管(multi-LED)装置进行光遗传学终止室速的研究。


在描述该技术前,先了解一下什么是光遗传学(optogenetics)?光遗传学是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术。自2005年,斯坦福大学Karl Deisseroth实验室通过在神经细胞中表达光敏蛋白,响应不同波长的光刺激实现对神经功能的调控,宣布人类正式拥有了精准操控大脑的工具。


光遗传学有着无可比拟的优点。它只需要向细胞内转入一个蛋白,实际操作性高;以光作为刺激媒介,可实现神经细胞的毫秒级操控;利用光遗传技术观察神经投射;通过组织特异性启动子实现特定细胞的调控;对实验动物的创伤远远小于传统方法,且没有异物侵入组织;可以用定位的光纤来局部刺激细胞,也可以设计弥散光大范围刺激脑区(详细内容可进以下链接查看https://zhuanlan.zhihu.com/p/52728555)。


光敏感通道蛋白是一种非选择性阳离子通道,暴露在特定波长的光时会被打开。光敏感通道蛋白表达的心肌细胞在光照时会产生心肌细胞膜持续去极化。这种用光学控制的生物电已在健康啮齿动物上能起搏心脏,并能终止药物诱发的心律失常,包括在离体、没有重构心脏的室速研究。然而,室速通常发生在有病理性重构的心脏中;另外,为了更接近临床环境,研究设计在封闭胸腔内的心脏心尖部植入了一个照明的光源。


在对红光可激活的光敏感通道蛋白(ReaChR)进行光遗传学修饰之前,先将成年雄性 Wistar 大鼠造成主动脉缩窄 (TAC)。



 

 图1. 这是TAC 模型的特征,可以看到小鼠的心肌发生了明显的肥厚。


3 周后,通过静脉递送编码红色可激活光敏感通道蛋白或柠檬色的腺相关病毒载体进行修饰来对照研究。在TAC后8-10周,体外和体内诱导室速,然后通过定制的植入式multi-LED设备对心尖进行编程局部照明。



 

图2. 心尖罩杯装置。( A ) 示意图和 ( B ) LED 组件的分解示意图,组件底部的中央定位 LED 芯片可以独立于其他三个 LED 激活。(C和D)用组织粘合剂粘在小鼠心尖部的 LED 设备图像。(E)在表达 ReaChR 的 TAC 心脏在体内和体外能被 567 nm (15 mW/mm² ) 和 617 nm  (10 mW/mm²)的LED 设备光照激活,激活图(图中)显示了心外膜心尖表面快速和有规律的激活。


由于心肌光穿透是波长相关的,所以波长是光遗传学有效终止室速的关键,研究显示只有在使用红色激发的光时才能对人体心脏进行光遗传学复律。



 

图3. 离体TAC心脏通过心尖光照终止室速



 

图4. TAC心脏在体内通过心尖光照终止室速 


光遗传学复律应用到人体之前还有几个重要的问题要解决,最重的有两点:1)心肌中光敏感通道蛋白的表达要足够高和多;2)通过足够的心脏光传递来激活这些光敏感通道蛋白。第1点可以通过基因递送方法(例如心外膜基因涂刷或心肌内注射)获得稳定的局部转基因表达。第2点心尖的局部光照可应用超薄、生物相容、可拉伸、不影响心肌收缩的LED材料,微创胸腔手术或经皮将光纤植入到心肌。


光照会产生较高的温度,会不会有安全问题?在热响应实验中连续激活LED 后,测量到LED器件表面的最高温度约为41°C。这个温度暴露时间很短,应该是无害的。而且活体心脏有血液灌注,能收到散热的作用。如果需要,可以通过改变心脏光源的设计和材料来进一步提高安全性,以减少热反应。


 


作者简介


程震锋

浙江省湖州市中心医院

程震锋,主任医师,湖州市中心医院心内科首席专家,CCI第五期学员,中国房颤中心联盟委员会委员,中国胸痛中心核查专家,中国高血压达标中心认证委员会专家,中国介入心脏病学杂志青年编委,CTO老伙计成员,2017年创立《震锋晨读》微信公众号读书笔记,至今已累计发稿1100余篇。


本期策划:沈雳

责任编辑:凌武娟

本文作者:程震锋

后期制作:凌武娟

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