Herzrhythmusstörungen sind sehr häufig und klinisch von hoher Relevanz; Die derzeitige Behandlung ist jedoch nach wie vor weitgehend unzureichend, da sich die meisten therapeutischen Strategien nur auf die Symptome konzentrieren, anstatt auf die ursächlichen Mechanismen von Herzrhythmusstörungen abzuzielen. Daher ist ein besseres Verständnis der komplexen Krankheitsmechanismen dringend erforderlich, um neuartige, innovative und kausale Therapien zu entwickeln.
Das Ziel der aktuellen JoVE-Methodensammlung ist es, einen unvoreingenommenen und vielfältigen Satz von Protokollen bereitzustellen, der es ermöglicht, verschiedene Aspekte der Arrhythmogenese umfassend zu untersuchen.
Eine veränderte Kalziumhomöostase ist eines der Kennzeichen der Arrhythmogenese, bleibt aber schwierig zu untersuchen, da mehrere Aspekte berücksichtigt werden müssen, die jeweils spezifische Techniken erfordern, um sie zu untersuchen 1,2. In dieser Methodensammlung stellen Tomsits et al. ein Protokoll zur Verfügung, das die Isolierung von atrialen und ventrikulären Kardiomyozyten aus ein und derselben Maus und die gleichzeitige Untersuchung des Calciumstroms und der Calciumtransienten vom L-Typ ermöglicht3. Dieses Protokoll ermöglicht es den Forschern, Kalziumstörungen globaler zu untersuchen und gleichzeitig die Tierzahlen zu reduzieren, was eine erhebliche wissenschaftliche und ethische Verbesserung darstellt.
Nichtsdestotrotz bleibt das Patchen isolierter Zellen komplex, arbeitsintensiv und experimentiert mit geringem Durchsatz4. Um dies zu adressieren, stellen Seibertz et al. ein Protokoll zur Verfügung, das einen spannungssensitiven Farbstoff verwendet, um Aktionspotentiale in humanen induzierten pluripotenten Stammzellabgeleiteten Kardiomyozyten zu messen5. Da die Technik keine umfangreiche Schulung erfordert (wie sie für das Patch-Clamping erforderlich ist) und mit einem relativ kostengünstigen Versuchsaufbau angewendet werden kann, hat dieses Protokoll breite Anwendungsmöglichkeiten.
Neben Kardiomyozyten spielen auch andere Zelltypen (z.B. Fibroblasten oder Makrophagen) eine wichtige Rolle in der Elektrophysiologie 6,7,8. Um zelltypspezifische Effekte im Leitungssystem zu untersuchen, bieten Xia et al. eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Identifizierung des Sinusknotens (SAN) und des atrioventrikulären Knotens (AVN) in Mäusen 9,10, gefolgt von Mikrodissektion und fluoreszenzaktivierter Zellsortierung (FACS) zur Isolierung und Untersuchung von Makrophagen9 oder durch Immunfluoreszenzbildgebung mit ganzem Mount. Dies ermöglicht die Identifizierung verschiedener Zelltypen, die Bewertung der dreidimensionalen Struktur und die Untersuchung der zelltypspezifischen Proteinexpression innerhalb des SAN/AVN10.
Darüber hinaus können Multi-Electroden-Array-Aufzeichnungen (MEA) an solchen Ganzmontagepräparaten durchgeführt werden, wie sie von Kumar et al.11 vorgestellt wurden. Diese Methode ist eine hervorragende Ergänzung zu den derzeit verwendeten Techniken, da sie relativ schnell und einfach ist und auch eine überlegene räumliche Auflösung bietet. Es ermöglicht pharmakologische Eingriffe und kann leicht auf andere spezifische Regionen des Herzens (z. B. das AVN) angewendet werden.
Das autonome Nervensystem spielt eine wesentliche Rolle in der Elektrophysiologie 12,13,14 und es gibt Behandlungsstrategien, wie z.B. die Sympathektomie 15,16,17,18 oder die Ablation von Herzganglien19. Dennoch sind die mechanistischen Grundlagen noch weitgehend unbekannt, zumal anatomische Strukturen des vegetativen Nervensystems bei Mäusen nicht ohne weiteres zugänglich sind. In dieser Ausgabe stellen Scherschel et al. ein Protokoll vor, das die Identifizierung und Dissektion der Sternganglien in Mäusen ermöglicht, um die Gen- und Proteinexpression in verschiedenen Zelltypen zu untersuchen20. Dies wird die Untersuchung neuer Aspekte des autonomen Umbaus ermöglichen.
Das Studium der Elektrophysiologie auf zellulärer Ebene ist entscheidend, um die grundlegenden Mechanismen zu untersuchen. In-vivo-Studien im Tiermodell sind jedoch noch erforderlich, um zelluläre Befunde zu validieren und die (patho-)physiologische Relevanz der identifizierten Zielstrukturen zu bestätigen21. Mäuse sind am weitesten verbreitet, aber vor allem die Erzeugung transgener Mäuse ist komplex. In dieser Ausgabe stellen Shimura et al. ein Protokoll vor, das CRISPR-Cas9-Geneditierung verwendet, um die komplexen regulatorischen Rollen von verkürzten Proteinen und ihre Auswirkungen in vivo speziell zu untersuchen. Zu diesem Zweck generierten sie ein transgenes Mausmodell, das eine Einzelpunktmutation im GJA1-Gen aufweist, das für Connexin-43 kodiert. Dies führt zu einer regulären Expression des Cx43 in voller Länge, aber zu einer reduzierten Expression eines abgeschnittenen Cx4322.
Eine der Haupteinschränkungen von In-vivo-Studien ist die Notwendigkeit, Tiere während der Versuche zu betäuben, was verschiedene elektrophysiologische Parameter beeinflussen kann und daher möglicherweise nicht die "wahre" Situation darstellt23,24. Telemetrische Geräte hingegen ermöglichen die Untersuchung von wachen und sich frei bewegenden Mäusen über lange Zeiträume von mehreren Wochen bis Monaten25,26. Rötzer et al. beschreiben, wie telemetrische Geräte zur gleichzeitigen Aufzeichnung von Herzfrequenz und Blutdruck bei Mäusen implantiert werden können, was speziell die Untersuchung des autonomen Nervensystems und der Baroreflexsensitivität ermöglicht27.
Obwohl Telemetriegeräte sehr leistungsfähige Werkzeuge sind, bleibt eine große Herausforderung bestehen: Wie können diese großen Datensätze analysiert werden? Um dieses Problem anzugehen, entwickeln Tomsits et al. ein Protokoll zur standardisierten halbautomatischen Analyse telemetrischer EKG-Aufzeichnungen28. Nach ihrem Protokoll können die Forscher grundlegende EKG-Parameter (z. B. Herzfrequenz oder PR-Intervall) erfassen und auf individuell definierte Herzrhythmusstörungen (z. B. Pausen, Brady-/Tachykardie) untersuchen. Wichtig ist, dass sie auch die Herausforderungen und Fallstricke bei der Aufzeichnung und Analyse von telemetrischen EKGs erörtern, einschließlich einiger Anleitungen zur Verbesserung der Signalqualität.
Neu entwickelte Medizinprodukte, wie z.B. Herzklappenprothesen, werden vor ihrer Anwendung am Menschen am Menschen gründlich im Tiermodell getestet29. Studien an gesunden Tieren lassen sich jedoch möglicherweise nicht perfekt auf menschliche Patienten übertragen, insbesondere auf solche, die sich zuvor einer Operation unterzogen haben30,31. Um solche Einschränkungen zu überwinden, stellen Grab et al. ein Protokoll für den 3D-Druck von individuellen, patientenspezifischen Herzmodellenzur Verfügung 32. Ihre Modelle sind elastisch und ähneln sowohl biomechanischen als auch hämodynamischen Eigenschaften, die denen menschlicher Patienten ähneln; Diese Modelle ermöglichen die Ausbildung von Ärzten, die Erprobung neuartiger interventioneller Verfahren oder Geräte und die Planung individualisierter Behandlungsstrategien, insbesondere bei Patienten mit komplexer Anatomie.
Die Protokolle, die in dieser JoVE-Methodensammlung zur Verfügung gestellt werden, werden viele Forscher bei der Erforschung von Elektrophysiologie und Herzrhythmusstörungen unterstützen. Die große Stärke dieser Sammlung besteht darin, dass sie Verbesserungen und Innovationen für traditionelle Technologien bietet, aber auch neuartige Ansätze zur Untersuchung verschiedener Aspekte der Arrhythmogenese aufzeigt. Diese Sammlung wird somit dazu beitragen, das Verständnis dieser komplexen Erkrankungen zu erweitern und letztlich innovative Therapien für Patienten mit Herzrhythmusstörungen zu entwickeln.