Methodenartikel

Fortschrittliches Herzrhythmusmanagement durch Anwendung optogenetischer Multi-Site-Photostimulation bei murinen Herzen

DOI:

10.3791/62335

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26. August 2021

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Diese Arbeit berichtet über eine Methode zur Kontrolle des Herzrhythmus intakter muriner Herzen von transgenen Kanalrhodopsin-2 (ChR2) Mäusen unter Verwendung lokaler Photostimulation mit einem Mikro-LED-Array und gleichzeitiger optischer Kartierung des Epikardialmembranpotentials.

Zusammenfassung

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Ventrikuläre Tachyarrhythmien sind weltweit eine der Hauptursachen für Mortalität und Morbidität. Die elektrische Defibrillation mit hochenergetischen Elektroschocks ist derzeit die einzige Behandlung für lebensbedrohliches Kammerflimmern. Defibrillation kann jedoch Nebenwirkungen haben, einschließlich unerträglicher Schmerzen, Gewebeschäden und einer Verschlechterung der Prognose, was auf einen erheblichen medizinischen Bedarf für die Entwicklung sanfterer Herzrhythmusmanagementstrategien hinweist. Neben energiereduzierenden elektrischen Ansätzen wurde die kardiale Optogenetik als leistungsfähiges Werkzeug zur Beeinflussung der Herzaktivität durch lichtempfindliche Membranionenkanäle und Lichtpulse eingeführt. In der vorliegenden Studie wird eine robuste und valide Methode zur erfolgreichen Photostimulation von Langendorff-perfundierten intakten Mausherzen beschrieben, die auf Multi-Site-Pacing unter Verwendung eines 3 x 3-Arrays von Mikro-Leuchtdioden (Mikro-LED) basiert. Die simultane optische Kartierung von Epikardialmembranspannungswellen ermöglicht die Untersuchung der Effekte der regionsspezifischen Stimulation und wertet die neu induzierte Herzaktivität direkt vor Ort aus. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Wirksamkeit der Defibrillation stark von den Parametern abhängt, die für die Photostimulation während einer Herzrhythmusstörung ausgewählt wurden. Es wird gezeigt, dass der beleuchtete Bereich des Herzens eine entscheidende Rolle für den Abbrucherfolg spielt und wie die gezielte Steuerung der Herzaktivität während der Beleuchtung zur Modifikation von Arrhythmiemustern erreicht werden kann. Zusammenfassend bietet diese Technik die Möglichkeit, die Mechanismusmanipulation vor Ort auf dem Weg zur Echtzeit-Feedback-Kontrolle des Herzrhythmus zu optimieren und in Bezug auf die Regionsspezifität neue Ansätze zur Reduzierung der potenziellen Schädigung des Herzsystems im Vergleich zur Verwendung von unspezifischen elektrischen Schlaganwendungen zu entwickeln.

Einleitung

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Frühe Untersuchungen der räumlich-zeitlichen Dynamik bei Arrhythmien zeigten, dass die komplexen elektrischen Muster beim Herzflimmern durch wirbelartig rotierende Erregungswellen angetrieben werden1. Dieser Befund lieferte neue Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen von Arrhythmien, die dann zur Entwicklung neuartiger elektrischer Terminationstherapien führten, die auf der Multi-Site-Anregung des Myokards 2,3,4 basieren. Behandlungen mit elektrischer Feldstimulation sind jedoch nicht lokal und können alle umliegenden erregbaren Zellen, einsch....

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Protokoll

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Alle Versuche folgten strikt der Tierschutzverordnung, in Übereinstimmung mit der deutschen Gesetzgebung, lokalen Bestimmungen und in Übereinstimmung mit den Empfehlungen der Federation of European Laboratory Animal Science Associations (FELASA). Der Antrag auf Genehmigung von Tierversuchen wurde von der zuständigen Tierschutzbehörde genehmigt und alle Versuche wurden unseren Tierschutzbeauftragten gemeldet.

1. Versuchsvorbereitung und Materialien

  1. Optisches Mapping-Setup
    HINWEIS: Der optische Aufbau sowie der elektrische Aufbau sind in Abbildung 1 dargestellt. Alle Komponenten, die im optischen und....

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Ergebnisse

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Das Protokoll ermöglicht die Induktion von ventrikulären Arrhythmien in intakten murinen Herzen unter Verwendung von Photostimulationsimpulsen, die von LED 1 und LED 2 erzeugt werden (Abbildung 1) mit einer Frequenz f ind zwischen 25 Hz und 35 Hz und einer Pulsdauer Wind zwischen 2 ms und 10 ms. Bitte beachten Sie, dass das Ziel solcher schnellen Lichtimpulse nicht darin besteht, den Herzrhythmus zu erfassen, sondern die Herzaktivität aus dem Gleichgewicht zu bringen, s.......

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Diskussion

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Eine erfolgreiche Behandlung von Herzrhythmusstörungen ist der Schlüssel zur kardialen Therapie. Die biophysikalischen Mechanismen, die der Initiierung, Aufrechterhaltung und Beendigung von Arrhythmien zugrunde liegen, sind jedoch nicht vollständig verstanden. Die Herzforschung zielt daher darauf ab, die Elektroschocktherapie in Richtung eines schonenderen Abbaus von Arrhythmien zu optimieren und dadurch die Lebensqualität der Patienten zu erhöhen 28,29,30,31.

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.

Danksagungen

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Die Autoren danken Marion Kunze und Tina Althaus für ihre hervorragende technische Unterstützung bei den Experimenten. Die Forschung, die zu den Ergebnissen geführt hat, wurde aus dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Gemeinschaft RP7/2007-2013 unter der Finanzhilfevereinbarung HEALTH-F2-2009-241526 gefördert. Unterstützt wurde dies auch vom Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung, dem DZHK e.V. (Projekt MD28), dem Partnerstandort Göttingen, dem SFB 1002 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Teilprojekt C03) und der Max-Planck-Gesellschaft. Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durch BrainLinks-BrainTools, Exzellenzcluster der Deutschen Forschungsgemei....

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Chemische Bestandteile
BlebbistatinTargetMolT603810 mM Stammlösung
BSA/AlbuminSigma-AldrichA4919
CalciumchloridSigma-AldrichC1016CaCl2
CarbogenWestfalen50 l Flasche
DI-4-ANBDQPQAAT Bioquest21499Farbstoff für optisches Mapping
GlucoseSigma-AldrichD9434C6H12O6
HeparinLEO PharmaHeparin-Natrium Leo 25.000 I.E./5 ml, verschreibungspflichtig
HydrochloridsäureMerck1.09057.1000HCl, 1 M Stammlösung
IsofluranCP Pharma1 ml/ml, verschreibungspflichtig
Magnesium ChloridMerck8.14733.0500MgCl2
MonokaliumphosphatSigma-Aldrich30407KH2PO4
Pinacidil MonohydratSigma-AldrichP154-500mg10 mM Stammlösung
KaliumchloridSigma-AldrichP5405KCl
NatriumbicarbonatSigma-AldrichS5761NaHCO3
Natrium ChloridSigma-AldrichS5886NaCl
NatriumhydroxidMerck1.09137.1000NaOH, 1 M Stammlösung
Elektrische Einrichtung
Biopac MP150Biopac SystemsMP150WSWDatenerfassungs- und Analysesystem
Maßgeschneidertes EKG, alternativ ECG100CBiopac SystemsECG100CElektrokardiogramm-Verstärker
Maßgeschneiderte Wasserbadheizung mit HeizkabelRMS HeizsystemHK-5,0-12Heizkabel 120W
Sechseckiges Wasserbad
LED-Treiber NetzteilThorlabsKPS10115 V, 2,4 A Netzteil mit 3,5 mm Klinkenstecker für einen K- oder T-Würfel.
LEDD1B LED-TreiberThorlabsLEDD1BT-Cube LED-Treiber, 1200 mA Max Drive
Current MAP, EKG-ElektrodeHugo Sachs ElektronikBS4  73-0200Mini-EKG-Elektrode für isoaltierte Herzen
Micro-LED-Treiber z.B. AFGAgilent InstrumentsA-2230Arbiträrfunktionsgenerator (AFG)
SignalgeneratorAgilent InstrumentsA-2230
AFG micro-LED Array Komponenten
Epoxidkleber EpoxidTechnologieEPO-TEK 353NDZweikomponenten-Epoxidharz
Fluorpolymer Asahi Glass Co. Ltd.Cytop 809MFluorpolymer mit hoher Transparenz
Bildumkehr-FotolackMerck KGaAAZ 5214EBildumkehrlack für hochauflösende
LED-Chips  Cree Inc.C460TR2227-S2100Blauer Mikro-LED-Fotolack
Merck KGaAAZ 9260Dicke Positiv-Fotolacke
PolyimidUBE Industries Ltd.U-Varnish SPolyimidlösung
SilikonNuSil Technology LLCMED-6215Niedrigviskoses Silikonelastomer
Lösemittelfreier KlebstoffJohn P. Kummer GmbHEpo-Tek 301-2Epoxidharz mit niedriger Viskosität
Optisches Mapping
Blauer FilterChroma Technology CorporationET470/40xAnregungsfilter
KameraPhotometrieCascade 128+Hochleistungs-EMCCD-Kamera
KameraobjektivNavitarDO-5095Navitar Hochgeschwindigkeits-Objektive mit Festbrennweite funktionieren mit CCD- und CMOS-Kameras
Dichroitischer SpiegelSemrockFF685-Di02-25x36685 nm Kante BrightLine® einschneidiger Standard Epifluoreszenz dichroitischer Strahlteiler
Emmision FilterSemrockFF01-775/140-25775/140 nm BrightLine® Singleband-Bandpassfilter
KühlkörperAdvanced Thermal SolutionsATSEU-077A-C3-R0Kühlkörper - LED STAR LED Kühlkörper, Ø 45mm, 68mm, Schwarz/Silber, ohne Gewinde Bodenplatte Hardware
LED 1 und LED 2LED Engin OsramLZ4-00B208High Power LEDs - Einfarbig Blau, 460 nm 130 lm, 700mA
LED 3ThorlabsM625L3625 nm, 700 mW (Min) Gefasste LED, 1000 mA
LinsenLED Engin OsramLLNF-2T06-HLED-Beleuchtung Linsen Baugruppen LZ4 OBJEKTIV SCHMALER FLUTSTRAHL
Fotodiode für LeistungsmesserThorlabsS120VCStandard Fotodiode Leistungssensor
LeistungsmesserThorlabsPM100DKompakter Leistungs- und Energiemesser
Roter FilterSemrockFF02-628/40-25BrightLine® Singleband-Bandpassfilter
Blauer

Referenzen

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  1. Davidenko, J. M., Pertsov, A. V., Salamonsz, R. Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle. Nature. 355, 349-351 (1992).
  2. Fenton, F. H., et al. Termination of atrial fibrillation using pulsed low-energy far-field stimulation....

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Schlagwörter

Kardiale Optogenetikventrikul re TachyarrhythmieOptical MappingMikro LED ArrayLangendorff Perfusionkardiale Defibrillationepikardiales SpannungsmappingBeendigung von Arrhythmien

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