쥐 심장에 광유전학적 다중 부위 광자극을 적용하여 고급 심장 리듬 관리

Laura Diaz-Maue; Janna Steinebach; Michael Schwaerzle; Stefan Luther; Patrick Ruther; Claudia Richter

doi:10.3791/62335

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방법 논문

쥐 심장에 광유전학적 다중 부위 광자극을 적용하여 고급 심장 리듬 관리

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DOI:

10.3791/62335

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2021년 8월 26일

Laura Diaz-Maue^*¹^,² , Janna Steinebach^*¹ , Michael Schwaerzle⁸^,⁹ , Stefan Luther¹^,³^,⁴^,⁶ , Patrick Ruther⁸^,⁹ , Claudia Richter¹^,⁵^,⁶^,⁷

¹Research Group Biomedical Physics, Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, ²Research Electronics Department, Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, ³Department of Pharmacology and Toxicology, University Medical Center Goettingen, ⁴Institute for Nonlinear Dynamics, Georg-August-University Goettingen, ⁵Department of Cardiology and Pneumology, University Medical Center Goettingen, ⁶German Center for Cardiovascular Research, DZHK e.V., partner site Goettingen, ⁷Laboratory Animal Science Unit, German Primate Center Leibniz Institute for Primate Research, ⁸Department of Microsystems Engineering (IMTEK), University of Freiburg, ⁹Cluster of Excellence BrainLinks-BrainTools, University of Freiburg

^* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

이 연구는 마이크로 LED 어레이를 사용한 국소 광 자극 및 심 외막 전위의 동시 광학 매핑을 사용하여 트랜스 제닉 채널 로돕신 -2 (ChR2) 마우스의 손상되지 않은 뮤린 심장의 심장 리듬을 제어하는 방법을보고합니다.

초록

심실 빈맥은 전 세계적으로 사망률과 이환율의 주요 원인입니다. 고 에너지 전기 충격을 이용한 전기 제세동은 현재 생명을 위협하는 심실 세동의 유일한 치료법입니다. 그러나 제세동에는 참을 수 없는 통증, 조직 손상, 예후 악화 등의 부작용이 있을 수 있으며, 이는 보다 부드러운 심장 리듬 관리 전략의 개발에 대한 상당한 의학적 필요성을 나타냅니다. 에너지 감소 전기적 접근 방식 외에도 심장 광유전학은 빛에 민감한 막 이온 채널과 광 펄스를 사용하여 심장 활동에 영향을 미치는 강력한 도구로 도입되었습니다. 본 연구에서, 랑겐도르프 관류된 온전한 뮤린 하트의 성공적인 광자극을 위한 강력하고 유효한 방법은 마이크로 발광 다이오드(micro-LED)의 3 x 3 어레이를 적용하는 다중 사이트 페이싱에 기초하여 설명될 것이다. 심 외막 전압파의 동시 광학 매핑을 통해 영역 별 자극의 효과를 조사하고 새로 유도 된 심장 활동을 현장에서 직접 평가할 수 있습니다. 얻어진 결과는 제세동의 효능이 심장 부정맥 동안 광 자극을 위해 선택된 매개 변수에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다. 심장의 조명 영역이 종결 성공에 중요한 역할을하며 부정맥 패턴을 수정하기위한 조명 중 심장 활동의 표적 제어가 어떻게 달성 될 수 있는지 입증 될 것입니다. 요약하면, 이 기술은 심장 리듬의 실시간 피드백 제어로 가는 길에 현장 메커니즘 조작을 최적화할 수 있는 가능성을 제공하고, 영역 특이성과 관련하여 비특이적 전기 충격 애플리케이션의 사용과 비교하여 심장계에 대한 잠재적 피해를 줄이는 새로운 접근 방식을 제공합니다.

서론

부정맥 동안의 공간-시간 역학에 대한 초기 조사는 심장 세동 동안의 복잡한 전기 패턴이 와류와 같은 회전 여기파에 의해 구동된다는 것을 밝혀 냈습니다¹. 이 발견은 부정맥의 기본 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며, 이는 심근 ^2,3,4의 다중 부위 흥분을 기반으로 한 새로운 전기 종단 요법의 개발로 이어졌습니다. 그러나 전기장 자극을 이용한 치료는 국소적이지 않으며 근육 조직을 포함한 모든 주변 흥분성 세포를 자극하여 세포 및 조직 손상과 견딜 수없는 통증을 유발할 수 있습니다. 전기 요법과 달리 광유전학적 접근법은 높은 공간적 및 시간적 정밀도로 심근세포 활동 전위를 유발하기 위한 특이적이고 조직적인 보호 기술을 제공합니다. 따라서, 광유전학적 자극은 심장세동 동안 혼돈의 활성화 패턴의 최소 침습적 제어의 잠재력을 갖는다.

유전자 조작 ^5,6,7을 통해 흥분성 세포에 감광성 이온....