Choroby układu krążenia (CVD) są główną przyczyną zgonów na całym świecie. Według raportu aktualizacyjnego AHA z 2024 r., każdego dnia w USA umiera około 2552 osób z powodu CVD, a średni bezpośredni i pośredni koszt CVD oszacowano na 378,0 mld USD w latach 2017-20181. Migotanie przedsionków (AF) jest jedną z najczęstszych zaburzeń rytmu serca w Stanach Zjednoczonych2 i wiąże się z niekorzystnym rokowaniem, zwiększając ryzyko udaru mózgu i zgonu zarówno w scenariuszach chorób sercowo-naczyniowych, jak i niesercowo-naczyniowych, co prowadzi do zwiększonego ryzyka wystąpienia działań niepożądanych3. Ten typ arytmii wyróżnia się szybką i nieregularną aktywnością elektryczną w przedsionkach, co zwykle skutkuje szybkim i nieregularnym rytmem komorowym4. Ponadto, biorąc pod uwagę ostatnie wydarzenia związane z COVID-19, wzrosła liczba badań i dowodów, które wskazują na zwiększone pojawianie się arytmii w odniesieniu do COVID-19, głównie do bradykardii zatokowej5. Po przeciwnej stronie migotania przedsionków, bradykardia zatokowa objawia się obniżonym i wolniejszym rytmem serca, z częstością akcji serca niższą niż 60 uderzeń na minutę (bpm). Diagnoza ta wymaga elektrokardiogramu (EKG) wykazującego prawidłowy rytm zatokowy z częstotliwością niższą niż 60 uderzeń na minutę.
Danio rerio, danio pręgowany, okazał się idealnym modelem do badań nad układem krążenia i rozwojem leków, ze względu na jego homologię do ludzi zarówno pod względem morfologii, fizjologii jak i genetyki6,7. Pomimo tego, że ma tylko dwie dostrzegalne komory w porównaniu z czterokomorowym sercem u ludzi, danio pręgowany ma podobną strukturę skurczową z analogicznym systemem przewodzenia8,9. W związku z tym model danio pręgowanego nadaje się do badania arytmii serca i badania związku między powiązanymi szlakami genetycznymi a cechami elektrofizjologicznymi poprzez analizę EKG. Jeśli chodzi o konstrukcję czujnika do zapisu EKG u danio pręgowanego, powszechnie stosuje się konwencjonalne elektrody igłowe10. Inne badania przedstawiały alternatywy dla konwencjonalnych igieł poprzez zaprojektowanie innego rodzaju igły wykonanej z różnych materiałów11, które zawierały materiały takie jak włókno wolframowe, stal nierdzewna i srebrny drut w celu oceny jakości zarejestrowanych danych. Wraz z przenośnym zestawem EKG starali się stworzyć uniwersalną platformę zarówno dla laboratoriów badawczych, jak i edukacyjnych.
System igieł został również wdrożony w innych badaniach11,12,13,14 do prowadzenia badań nad efektami biologicznymi i/lub lekami, w których wykazał zachęcające wyniki. Jednak, aby uzyskać optymalne sygnały, konieczne było ostrożne wprowadzenie igieł przez skórę właściwą danio pręgowanego. Ta inwazyjna procedura może spowodować uszkodzenie serca ryby z powodu ostrości igieł, co może spowodować zmianę morfologii sygnału13. Co więcej, dokładne umieszczenie elektrody na małym sercu bez powodowania szkód w celu zapewnienia wyraźnego uchwycenia EKG wymaga znacznej krzywej uczenia się. W związku z tym wprowadzono różne zastępcze systemy sond, takie jak matryce mikroelektrod (MEA) i czujniki drukowane w 3D. Zarówno nasz zespół, jak i inni badacze z powodzeniem wykorzystali MEA do pozyskiwania danych, uzyskując dane, które oferują dobry stosunek sygnału do szumu (SNR) wraz z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową15,16,17. Na przykład wprowadziliśmy MEA, który otacza serce ryby, umożliwiając uchwycenie specyficznych dla miejsca sygnałów EKG15,16. W przeciwieństwie do tego, inny zespół opracował inny rodzaj MEA oparty na elastycznej płytce drukowanej (FPCB) wykonanej z folii poliimidowej, której celem jest rejestrowanie wielu elektroencefalogramów (EEG) do badań nad padaczką18. Podczas gdy MEA umożliwiają rejestrację wielu sygnałów, są one ograniczone przez zdolność do oceny tylko jednej ryby na raz ze względu na ograniczoną liczbę kanałów elektrodowych. W odpowiedzi na to ograniczenie, niedawno zaprezentowaliśmy zaawansowany system zdolny do jednoczesnego zapisu EKG z wielu fish19. System ten wykorzystuje dwie elektrody, każda o grubości 125 μm i wykonane z poliimidu, z elektrodami napylanymi złotem umieszczonymi na dole ich obudowy, aby ułatwić pozyskiwanie danych. Jednak włączenie pompy obiegowej wody wprowadziło szum, wpływając na jakość sygnału do szumu (SNR) sygnałów EKG. Dodatkowo konieczne było użycie nieporęcznych i kosztownych narzędzi do zbierania danych, które wymagały przewodowego połączenia z komputerem. Na rynku systemy takie jak iWORX oferują lepszą przenośność dzięki kompaktowemu wzmacniaczowi, ale napotykają nierozwiązane problemy: (i) ich czas nagrywania jest zbyt krótki (3-5 minut) dla eksperymentów wymagających dłuższego czasu trwania, takich jak te dotyczące ostrych skutków działania leków; (ii) wymóg znieczulenia zwierząt, co może je stresować i zniekształcać wrodzone dane elektrofizjologiczne serca; (iii) ręczne, sekwencyjne pomiary utrudniają badania z dużą liczbą ryb; oraz (iv) konieczność pracochłonnego przetwarzania danych EKG w trybie offline. Co ważne, nie pojawiły się jeszcze żadne wysokoprzepustowe systemy wykorzystujące mikroelektronikę do analizy zmutowanych fenotypów. W związku z tym stworzenie wysokoprzepustowych systemów, które umożliwiają rozszerzony zapis EKG, ma kluczowe znaczenie dla odkrycia powiązań między fenotypami arytmicznymi a zmutowanymi genotypami, identyfikacji wielu fenotypów arytmicznych związanych z pojedynczymi zmutowanymi genotypami oraz przetestowania skuteczności leków nasercowych przy użyciu modelu danio pręgowanego. W związku z tym wprowadziliśmy do obrotu, w 2022 roku, przełomowy prototyp systemu Zebra II. Ten nowatorski system jest przystosowany do wykonywania rozszerzonych zapisów EKG od kilku ryb jednocześnie. Aby to osiągnąć, stworzono własny system elektroniczny, wykorzystujący technologię Internetu Rzeczy (IoT) do bezprzewodowej transmisji danych i umożliwiający analizę danych za pomocą aplikacji mobilnej. Zastosowanie technologii IoT nie tylko zwiększyło elastyczność i przenośność systemu, ale także ułatwiło zdalną współpracę w zakresie badań nad modelami danio pręgowanego. We wcześniejszym badaniu potwierdziliśmy skuteczność systemu poprzez szeroko zakrojone testy, wykazując jego zdolność do 1) jednoczesnego pozyskiwania danych EKG od czterech ryb; 2) wykonywanie ciągłych zapisów EKG przez okres do 1 godziny, co znacznie przekracza możliwości istniejących systemów, które rejestrują tylko kilka minut; 3) zminimalizuj mylące skutki znieczulenia, stosując o 50% zmniejszone stężenie trikainy. Co więcej, system wykazał dużą zdolność do długotrwałych zapisów EKG w różnych eksperymentach, takich jak te obejmujące blok zatokowo-przedsionkowy (SA) wywołany sodem, zmiany rytmu serca wywołane temperaturą oraz arytmie wywołane lekiem zarówno u ryb z mutacją Tg(SCN5A-D1275N), jak i dzikich ryb w kontrolowanych warunkach eksperymentalnych. Zastosowanie w systemie wielu kanałów elektrod do rozszerzonego zapisu EKG umożliwia dodatkowo wykonywanie randomizowanych, kontrolowanych prób, co pozwala na badanie dwóch ryb w grupie eksperymentalnej w identycznych warunkach20. W tym artykule przedstawiamy ulepszoną wersję systemu, wyposażoną w elektrodę 4-punktową. To ulepszenie umożliwia użytkownikom rejestrowanie odczytów EKG z różnych miejsc na rybach, znacznie zmniejszając szansę na uzyskanie sygnałów EKG o niskiej jakości. Co więcej, ta iteracja opiera się na większości funkcji opisanych w poprzednich badaniach><, a także je udoskonala. Ten rozwinięty system EKG jest bardzo obiecujący, jeśli chodzi o rozwiązanie istniejących ograniczeń, co znacznie ułatwia analizę fenotypów arytmicznych i badania przesiewowe leków u danio pręgowanego. Innowacyjny dodatek 4-punktowej elektrody został rygorystycznie przetestowany w ramach krótkiego badania nad arytmią wywołaną przez leki u danio pręgowanego typu dzikiego, co dodatkowo potwierdziło jego skuteczność.