Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире. Согласно отчету AHA Update Report за 2024 год, в США каждый день от сердечно-сосудистых заболеваний умирает около 2552 человек, а средняя прямая и косвенная стоимость сердечно-сосудистых заболеваний оценивалась в 378,0 миллиарда долларов в 2017-2018 годах1. Фибрилляция предсердий (ФП) является одной из наиболее распространенных сердечных аритмий в классе США2 и связана с неблагоприятным прогнозом, увеличивая риск инсульта и смерти как при ССЗ, так и при несердечно-сосудистых заболеваниях, что приводит к повышенному риску неблагоприятных исходов3. Этот тип аритмии отличается быстрой и нерегулярной электрической активностью в предсердиях, что обычно приводит к быстрому и нерегулярному желудочковому ритму4. Кроме того, учитывая недавние события COVID-19, возросло число исследований и доказательств, которые показывают повышенное появление аритмии в связи с COVID-19, в основном при синусовой брадикардии5. На противоположной стороне ФП синусовая брадикардия представляет собой сниженный и более медленный сердечный ритм с частотой сердечных сокращений менее 60 ударов в минуту (уд/мин). Для постановки диагноза требуется электрокардиограмма (ЭКГ), показывающая нормальный синусовый ритм со скоростью ниже 60 ударов в минуту.
Данио-рерио, данио рерио, оказался идеальной моделью для исследований сердечно-сосудистых заболеваний и разработки лекарств из-за его гомологии с людьми как в морфологии, так и в физиологии и генетике6,7. Несмотря на наличие только двух различимых камер по сравнению с четырехкамерным сердцем у человека, рыбка данио обладает аналогичной сократительной структурой с аналогичной системой проводимости8,9. Таким образом, модель рыбок данио подходит для исследования сердечных аритмий и изучения связи между связанными генетическими путями и электрофизиологическими характеристиками с помощью анализа ЭКГ. Что касается конструкции датчика для записи ЭКГ у рыбок данио, обычно используются обычные игольчатые электроды10. В других исследованиях были представлены альтернативы обычным иглам путем разработки другого типа иглы из других материалов11, они включали такие материалы, как вольфрамовая нить, нержавеющая сталь и серебряная проволока для оценки качества записанных данных. Вместе с портативным набором ЭКГ они стремились создать универсальную платформу как для исследовательских, так и для образовательных лабораторий.
Система игл также была использована в других исследованиях11,12,13,14 для проведения исследований биологических и/или вызванных лекарствами эффектов, в которых она показала обнадеживающие результаты. Однако для получения оптимальных сигналов нужно было аккуратно вводить иглы через дерму данио-рерио. Эта инвазивная процедура может нанести вред сердцу рыбы из-за остроты игл, что, возможно, изменит морфологию сигнала13. Кроме того, точное размещение электрода на маленьком сердце без причинения вреда для обеспечения четкого захвата ЭКГ представляет собой значительную кривую обучения. В связи с этим были внедрены различные замещающие зондовые системы, такие как микроэлектродные матрицы (MEA) и 3D-печатные датчики. Как наша команда, так и другие исследователи успешно использовали MEA для сбора данных, получив данные, которые предлагают хорошее отношение сигнал/шум (SNR) наряду с высоким пространственным и временным разрешением15,16,17. Например, мы представили MEA, который обволакивает сердце рыбы, позволяя улавливать сигналы ЭКГ, специфичные для сайта15,16. В противоположность этому, другая команда разработала другой вид MEA на основе гибкой печатной платы (FPCB), изготовленной из полиимидной пленки, предназначенной для записи множественных электроэнцефалограмм (ЭЭГ) для исследования эпилепсии18. Несмотря на то, что MEA позволяют регистрировать множество сигналов, они ограничены способностью оценивать только одну рыбу за раз из-за ограниченного количества электродных каналов. В ответ на это ограничение, мы недавно продемонстрировали усовершенствованную систему, способную одновременно записывать ЭКГ с нескольких уроков fish19. В этой системе используются два электрода, каждый толщиной 125 мкм и изготовленные из полиимида, с золотым напылением, расположенными в нижней части корпуса для облегчения сбора данных. Тем не менее, включение циркуляционного насоса для воды вносило шум, влияющий на качество сигнализации ЭКГ по отношению сигнал/шум (SNR). Кроме того, необходимо было использовать громоздкие и дорогостоящие инструменты сбора данных, для которых требовалось проводное подключение к компьютеру. На рынке такие системы, как iWORX, предлагают улучшенную портативность благодаря компактному усилителю, но они сталкиваются с нерешенными проблемами: (i) время их записи слишком короткое (3-5 минут) для экспериментов, требующих большей продолжительности, например, связанных с острыми эффектами лекарств; (ii) потребность в обезболивании животных, которая может подвергнуть их стрессу и исказить электрофизиологические данные врожденной сердечной системы; (iii) ручные, последовательные измерения препятствуют исследованиям с большим количеством рыб; и (iv) необходимость автономной, трудоемкой обработки данных ЭКГ. Важно отметить, что до сих пор не появилось высокопроизводительных систем с микроэлектроникой для анализа мутантных фенотипов. Таким образом, создание высокопроизводительных систем, обеспечивающих расширенную запись ЭКГ, имеет решающее значение для выявления связей между аритмическими фенотипами и мутантными генотипами, идентификации множественных аритмических фенотипов, связанных с одиночными мутантными генотипами, и проверки эффективности сердечных препаратов с использованием модели рыбок данио. В связи с этим в 2022 году мы представили революционный прототип системы Zebra II. Эта новая система оснащена возможностью проведения расширенной записи ЭКГ от нескольких рыб одновременно. Для этого была создана собственная электронная система, использующая технологию Интернета вещей (IoT) для беспроводной передачи данных и позволяющая анализировать данные через мобильное приложение. Внедрение технологии IoT не только повысило гибкость и портативность системы, но и облегчило удаленное сотрудничество для исследования моделей рыбок данио. В предыдущем исследовании мы подтвердили эффективность системы с помощью обширных испытаний, продемонстрировав ее способность 1) получать данные ЭКГ одновременно от четырех рыб; 2) выполнять непрерывную запись ЭКГ продолжительностью до 1 часа, что значительно превышает возможности существующих систем, фиксирующих всего несколько минут; 3) свести к минимуму искажающие эффекты анестезии за счет использования 50% сниженной концентрации трикаина. Кроме того, система продемонстрировала сильную способность к длительной записи ЭКГ в различных экспериментах, таких как эксперименты, связанные с натрий-индуцированной синоатриальной блокадой (SA), температурно-индуцированными изменениями сердечного ритма и лекарственными аритмиями у мутантных рыб Tg (SCN5A-D1275N) и рыб дикого типа в контролируемых экспериментальных условиях. Использование в системе нескольких электродных каналов для расширенной записи ЭКГ еще больше позволяет проводить рандомизированные контролируемые исследования, позволяя изучать двух рыб в экспериментальной группе в идентичных условиях20. В этой статье мы представляем модернизированную версию системы, оснащенную 4-точечным электродом. Это усовершенствование позволяет пользователям захватывать показания ЭКГ из различных мест на рыбе, значительно снижая вероятность получения сигналов ЭКГ низкого качества. Более того, эта итерация основывается на большинстве функций, описанных в предыдущем исследовании19. Эта усовершенствованная система ЭКГ показывает большие перспективы в устранении существующих ограничений, тем самым существенно облегчая анализ аритмических фенотипов и скрининг лекарств у рыбок данио. Инновационное добавление 4-точечного электрода было тщательно протестировано в ходе краткого исследования лекарственной аритмии у диких рыбок данио, что еще раз подтвердило его эффективность.