Gestion avancée du rythme cardiaque par application d’une photostimulation optogénétique multisite dans les cœurs murins

La fibrillation cardiaque et la défibrillation physiques les plus sous-jacentes ne restent pas complètement comprises. L’optogénétique peut offrir un moyen de mieux comprendre les phénomènes cardiaques dans un environnement bien contrôlé. La stimulation lumineuse locale à l’aide de micro-LED permet l’innovation de zones spécifiques du tissu cardiaque.

Cette stimulation ciblée est un nouvel outil pour développer des méthodes de thérapie anti-arithmétique douces pour le cœur. Le protocole montré peut être utilisé pour étudier le comportement cardiaque pendant l’arythmie cardiaque et surtout pendant l’interruption de grossesse. En perspective, les techniques développées peuvent être utilisées pour étudier des modèles de grands animaux plus pertinents sur le plan clinique.

Avant chaque expérience, nettoyez tous les tubes avec de l’eau entièrement déminéralisée. Aérer les solutions thyroïdiennes avec du carbogène pendant 30 minutes à température ambiante et ajuster le pH à 7,3 avec de l’hydroxyde de sodium et de l’acide chlorhydrique. Chauffez le système de perfusion à 37 degrés Celsius avec une pompe à chaleur à eau.

Maintenez la température du perfusat constante dans le bain-marie en utilisant un élément chauffant supplémentaire tel qu’un câble chauffant étanche. Ajouter 500 millilitres de chaque solution thyroïdienne au réservoir correspondant et désaérer les tubes ainsi que le piège à bulles en faisant passer la solution thyroïdienne à travers le système de perfusion jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de bulles d’air piégées dans les tubes ou dans le piège à bulles. Continuez à aérer les solutions thyroïdiennes pendant toute l’expérience dans les réservoirs avec du carbogène pour s’assurer que le pH du perfusat reste stable plus tard pendant la perfusion.

Après avoir retiré le cœur, effectuez la préparation fine au microscope stéréoscopique. Fixez l’aorte sur l’aiguille émoussée et fixez le vaisseau avec un matériau de suture. Comme contrôle, injectez une solution thyroïdienne glacée à travers l’aiguille dans le cœur et vérifiez que le cœur est bien monté.

Transférez le cœur monté dans le système de perfusion et assurez-vous que le perfusat circule pour empêcher l’air de pénétrer dans le cœur tout en reliant l’aiguille au piège à bulles. Vérifiez que le cœur est recouvert de solution thyroïdienne dans le bain-marie et qu’il bat en quelques minutes. Placez l’une des électrodes ECG aussi près que possible de la surface du cœur pour assurer une bonne qualité du signal.

Suspendez la deuxième électrode ECG dans la solution thyroïdienne, en vous assurant que l’ECG est enregistré. Placez le micro LED array sur la zone d’intérêt. Changez la perfusion à faible taux de potassium thyroïdien avec pénicide et parcourez le cœur pendant 15 à 30 minutes.

Pour induire l’arythmie, illuminez le cœur avec une LED un et LED deux avec un train de 20 à 50 impulsions lumineuses avec une fréquence de 25 à 35 hertz, une durée d’impulsion de deux à 15 millisecondes et une intensité lumineuse de 2,8 milliwatts par millimètres carrés. Répétez le processus jusqu’à ce que l’arythmie soit induite. Une fois qu’une arythmie soutenue est détectée visuellement, appliquez une rafale d’impulsions de différentes largeurs et fréquences en utilisant trois, six ou neuf micro-LED du réseau à un courant pulsé de 15 milliampères.

Si l’arythmie persiste après cinq essais de défibrillation basés sur des micro-réseaux de LED, classez la tentative comme infructueuse et commencez la défibrillation de secours, en utilisant une LED une et deux LED avec les mêmes paramètres de synchronisation. Perfusez le cœur avec la solution de blébbistatine et attendez que le découplage mécanique se produise, ce qui est accompli lorsque le cœur cesse de battre, mais un signal ECG est toujours mesurable. Donnez le colorant de tension d’un millilitre, colorant 4-A-N-B-D-Q-P-Q comme un bol dans le piège à bulles de la perfusion de Langendorff et attendez cinq à 10 minutes pour permettre au colorant de parcourir le cœur uniformément.

Allumez trois LED. Concentrez la caméra sur la surface du cœur et appliquez 1,27 milliwatt par millimètre carré de puissance optique. Éteignez les lumières de laboratoire et démarrez l’enregistrement, en vous assurant qu’un signal optique est acquis en comparant la fréquence du signal obtenu à la fréquence de l’ECG enregistré.

Une série d’expériences avec différentes fréquences, nombre de micro LED et durées d’impulsions ont été testées sur 11 souris, démontrant que des impulsions de 1 à 20 millisecondes peuvent défibriller avec différents taux de réussite. Il y a une augmentation significative du taux de réussite des neuf LED avec des durées d’impulsion d’une milliseconde et 20 millisecondes à une fréquence de défibrillation de 18 et 20 hertz, ce qui est plus proche de la fréquence d’arythmie moyenne analysée de 22,55 de toutes les arythmies avec un intervalle d’erreur de plus ou moins quatre virgule zéro trois hertz. Deux tentatives de défibrillation différentes avec une fréquence de 14 hertz avec leurs enregistrements ECG et leurs spectrogrammes respectifs sont montrées ici.

Dans un exemple de défibrillation avec des impulsions de 30 millisecondes, la fréquence dominante de l’arythmie augmente légèrement jusqu’à ce que la photostimulation commence. Le VF est transformé en VT où la fréquence dominante tombe à 14 hertz, suivie d’une terminaison infructueuse et d’un retour au comportement arythmique avec une fréquence dominante de 24 hertz. Dans le deuxième exemple, le premier segment montre une VT avec une fréquence dominante de 23 hertz et ses composantes harmoniques jusqu’à ce que la photostimulation commence, avec une largeur d’impulsion de 20 millisecondes.

Le segment trois affiche une terminaison réussie qui conduit à un rythme sinusal normal avec une fréquence fondamentale de 3,5 hertz et les harmoniques résultantes. La cartographie optique avec des caméras à grande vitesse a montré un changement d’intensité de fluorescence au cours d’un seul battement du cœur au cours d’un rythme sinusal normal. La durée de la perfusion doit maintenir toutes les conditions pour maintenir le cœur en bonne santé, à savoir la température, la valeur du pH et la nécessité de l’oxydation de rester constante.

Il est particulièrement important que la solution tyroïde ne soit pas vide, car les bulles d’air dans le système peuvent endommager le cœur. Le réseau de micro-réalité offre une grande flexibilité. Vous pouvez cibler différents endroits du cœur ou même combiner plusieurs réseaux dans une expérience afin de mettre fin correctement à l’arythmie.