Биологам удалось создать оптогенетический стимулятор сердца, воздействующий на сердечные сокращения лазерными импульсами. Описание успешного эксперимента, проведённого на мухах-дрозофилах, появилось на этой неделе в журнале Science Advances.

Классические стимуляторы сердца работают, отправляя электрические импульсы клеткам органа. Под воздействием импульсов клетки сокращаются, и таким образом поддерживается постоянный ритм сердцебиения. В данном же эксперименте учёные использовали достижения сравнительно новой области науки, оптогенетики.

В оптогенетике для стимуляции клеток (в первую очередь биологи занимались нейронами) их генетически модифицируют, заставляя клетки вырабатывать специальные белки – ионные каналы, позволяющие ионам перемещаться сквозь клеточную мембрану. Благодаря наличию этих белков клетки начинают реагировать на свет.

В самом начале развития оптогенетики подопытным животным приходилось внедрять в организм оптоволокно, чтобы подавать световые импульсы в интересующую область. В этом году американские учёные разработали беспроводные микроскопические имплантаты, оборудованные радиомодулем и светодиодом. Они способны включаться и выключаться по управлению извне.

В нашем эксперименте таких ухищрений не потребовалось. Мухи-дрозофилы были генетически подготовлены к тому, чтобы их сердце реагировало на свет, а стимуляция проводилась лазерными импульсами, которые проникали через экзоскелет на брюшке мухи. В ходе эксперимента было установлено, что при подаче лазерных импульсов частотою 10 Гц мушиные сердца бились в полном соответствии с подаваемыми импульсами.


На видео сердце мухи бьётся как самостоятельно, так и под воздействием лазерных импульсов

Чао Чжоу [Chao Zhou], ассистент-профессор по биоинженерии из Лихайского университета, руководивший работой, объясняет, что у оптических сердечных стимуляторов существует ряд преимуществ перед традиционными. Например, оптический стимулятор не нужно имплантировать. Он воздействует только на определённый набор клеток, в то время, как электрический может затрагивать и на окружающие орган ткани.

Подобные исследования уже успешно проводились на других любимых существах биологов – рыбках данио-рерио и мышах. Однако в случае с рыбками воздействие было возможным лишь на стадии зародышей, а у мышей – при вскрытии грудной клетки. В данном случае в лаборатории была продемонстрирована неинвазивная стимуляция.


Американский исследователь Сеймур Бензер держит модель дрозофилы

Поскольку в случае мух-дрозофил на них возможно воздействовать на всех стадиях развития, это позволяет учёным проверить интересные гипотезы. Например, изучая специально выведенных мух с предрасположенностью к сердечным приступам, можно выяснить, повлияет ли кардиостимуляция развивающегося эмбриона на улучшение ситуации с сердцебиением у взрослых мух.

Конечно, для экспериментов на людях такая технология пока не приспособлена. Придётся либо по-прежнему имплантировать стимулятор хирургически, либо разработать систему, в которой клетки будут реагировать на излучение в ближней инфракрасной части спектра (способное проникать через ткани). Правда, для этого нужно будет придумать, как фокусировать это излучение, чтобы оно не рассеивалось в тканях. Но Чжоу уверен, что в этом нет ничего не возможного.


Первый в мире имплантируемый кардиостимулятор фирмы Siemens Elema

Электрокардиостимуляторы впервые начали применяться в 1950-х годах. Первый опытный образец располагался снаружи тела, и получал электропитание по проводам.