Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVDs) sind weltweit die häufigste Todesursache. Laut dem AHA Update Report 2024 sterben in den USA jeden Tag rund 2552 Menschen an Herz-Kreislauf-Erkrankungen, und die durchschnittlichen direkten und indirekten Kosten von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wurden 2017-2018 auf 378,0 Milliarden US-Dollar geschätzt1. Vorhofflimmern (VHF) ist eine der häufigsten Herzrhythmusstörungen in den USA2 und ist mit einer ungünstigen Prognose verbunden, die das Schlaganfall- und Todesrisiko sowohl bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen als auch bei nicht-kardiovaskulären Erkrankungen erhöht, was zu einem erhöhten Risiko für unerwünschte Ergebnisse führt3. Diese Art von Herzrhythmusstörungen zeichnet sich durch eine schnelle und unregelmäßige elektrische Aktivität in den Vorhöfen aus, die in der Regel zu einem schnellen und unregelmäßigen ventrikulären Rhythmus führt4. Darüber hinaus gibt es angesichts der jüngsten Ereignisse von COVID-19 eine erhöhte Anzahl von Studien und Beweisen, die ein vermehrtes Auftreten von Herzrhythmusstörungen im Zusammenhang mit COVID-19 zeigen, vor allem bei Sinusbradykardie5. Auf der anderen Seite des Vorhofflimmerns weist die Sinusbradykardie einen verminderten und langsameren Herzrhythmus mit einer Herzfrequenz von weniger als 60 Schlägen pro Minute (bpm) auf. Diese Diagnose erfordert ein Elektrokardiogramm (EKG), das einen normalen Sinusrhythmus mit einer Frequenz von weniger als 60 Schlägen pro Minute zeigt.
Der Zebrafisch, Danio rerio, hat sich aufgrund seiner Homologie zum Menschen sowohl in der Morphologie, Physiologie als auch in der Genetik als ideales Modell für kardiovaskuläre und Arzneimittelentwicklungsstudien erwiesen6,7. Obwohl der Zebrafisch im Vergleich zum Vierkammerherzen beim Menschen nur zwei erkennbare Kammern hat, besitzt er eine ähnliche kontraktile Struktur mit einem analogen Leitungssystem8,9. Daher eignet sich das Zebrafischmodell zur Erforschung von Herzrhythmusstörungen und zur Erforschung des Zusammenhangs zwischen verwandten genetischen Signalwegen und elektrophysiologischen Eigenschaften durch EKG-Analyse. In Bezug auf das Sensordesign für die EKG-Aufzeichnung im Zebrafisch werden üblicherweise herkömmliche Nadelelektroden verwendet10. Andere Studien präsentierten Alternativen für herkömmliche Nadeln, indem sie einen anderen Nadeltyp aus anderen Materialien entwarfen 11, wobei Materialien wie Wolframfilament, Edelstahl und Silberdraht verwendet wurden, um die Qualität der aufgezeichneten Daten zu bewerten. Zusammen mit dem tragbaren EKG-Kit wollten sie eine universelle Plattform sowohl für Forschungs- als auch für Bildungslabore schaffen.
Das Nadelsystem wurde auch in anderen Studien eingesetzt11,12,13,14 zur Durchführung von Forschungsarbeiten über biologische und/oder arzneimittelinduzierte Wirkungen, in denen es ermutigende Ergebnisse zeigte. Um jedoch optimale Signale zu erhalten, war es notwendig, die Nadeln vorsichtig durch die Dermis des Zebrafisches zu stechen. Dieses invasive Verfahren kann aufgrund der Schärfe der Nadeln zu Verletzungen des Fischherzens führen, wodurch möglicherweise die Signalmorphologie verändert wird13. Darüber hinaus stellt die genaue Platzierung der Elektrode auf dem kleinen Herzen, ohne Schäden zu verursachen, um eine klare EKG-Erfassung zu gewährleisten, eine erhebliche Lernkurve dar. In der Folge wurden verschiedene Substitutionssondensysteme eingeführt, wie z. B. Mikroelektrodenarrays (MEA) und 3D-gedruckte Sensoren. Sowohl unser Team als auch andere Forscher haben MEA erfolgreich für die Datenerfassung eingesetzt und Daten erzielt, die ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zusammen mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung bieten15,16,17. Zum Beispiel haben wir eine MEA eingeführt, die das Herz des Fisches umhüllt und die Erfassung von standortspezifischen EKG-Signalen ermöglicht15,16. Im Gegensatz dazu entwickelte ein anderes Team eine andere Art von MEA, die auf einer flexiblen Leiterplatte (FPCB) aus Polyimidfolie basiert, die zur Aufzeichnung mehrerer Elektroenzephalogramme (EEGs) für die Epilepsieforschung gedacht ist 18. MEAs ermöglichen zwar die Aufzeichnung zahlreicher Signale, sind aber aufgrund der begrenzten Anzahl von Elektrodenkanälen durch die Fähigkeit, jeweils nur einen Fisch zu beurteilen, begrenzt. Als Reaktion auf diese Einschränkung haben wir kürzlich ein fortschrittliches System vorgestellt, das in der Lage ist, gleichzeitige EKG-Aufzeichnungen von mehreren fish19 zu ermöglichen. Bei diesem System kommen zwei Elektroden mit einer Dicke von jeweils 125 μm aus Polyimid zum Einsatz, wobei goldgesputterte Elektroden an der Unterseite des Gehäuses positioniert sind, um die Datenerfassung zu erleichtern. Der Einbau einer Wasserumwälzpumpe führte jedoch zu Rauschen, das die Signal-Rausch-Verhältnis-Qualität (SNR) der EKG-Signale beeinträchtigte. Darüber hinaus war der Einsatz von sperrigen und kostspieligen Datenerfassungstools erforderlich, die eine kabelgebundene Verbindung zu einem Computer erforderten. Auf dem Markt erhältliche Systeme wie iWORX bieten eine verbesserte Portabilität durch einen kompakten Verstärker, stehen jedoch vor ungelösten Problemen: (i) Ihre Aufzeichnungszeit ist zu kurz (3-5 Minuten) für Experimente, die eine längere Dauer erfordern, wie z. B. solche mit akuten Arzneimittelwirkungen; ii) das Erfordernis einer Betäubung der Tiere, was zu Stress führen und die elektrophysiologischen Daten des angeborenen Herzens verzerren kann; iii) manuelle, sequentielle Messungen behindern die Forschung mit einer großen Anzahl von Fischen; und (iv) die Notwendigkeit einer arbeitsintensiven Offline-EKG-Datenverarbeitung. Wichtig ist, dass es noch keine Hochdurchsatzsysteme mit Mikroelektronik zur Analyse mutierter Phänotypen gibt. Daher ist die Entwicklung von Hochdurchsatzsystemen, die eine erweiterte EKG-Aufzeichnung ermöglichen, von entscheidender Bedeutung, um Zusammenhänge zwischen arrhythmischen Phänotypen und mutierten Genotypen aufzudecken, mehrere arrhythmische Phänotypen zu identifizieren, die mit einzelnen mutierten Genotypen assoziiert sind, und die Wirksamkeit von Herzmedikamenten anhand des Zebrafischmodells zu testen. Daher haben wir im Jahr 2022 den bahnbrechenden Prototyp des Zebra II-Systems vorgestellt. Dieses neuartige System ist in der Lage, erweiterte EKG-Aufzeichnungen von mehreren Fischen gleichzeitig durchzuführen. Um dies zu erreichen, wurde ein hauseigenes elektronisches System entwickelt, das die Internet of Things (IoT)-Technologie für die drahtlose Datenübertragung nutzt und die Datenanalyse über eine mobile Anwendung ermöglicht. Die Einbeziehung der IoT-Technologie stärkte nicht nur die Flexibilität und Portabilität des Systems, sondern erleichterte auch die Zusammenarbeit aus der Ferne für die Forschung an Zebrafischmodellen. In einer früheren Studie haben wir die Wirksamkeit des Systems durch umfangreiche Tests validiert und seine Fähigkeit gezeigt, 1) EKG-Daten gleichzeitig von vier Fischen zu erfassen; 2) kontinuierliche EKG-Aufzeichnungen für bis zu 1 h durchzuführen, was die Kapazität bestehender Systeme, die nur wenige Minuten erfassen, deutlich übersteigt; 3) Minimieren Sie die verwirrenden Effekte der Anästhesie durch eine um 50% reduzierte Konzentration von Tricain. Darüber hinaus zeigte das System eine starke Fähigkeit für langwierige EKG-Aufzeichnungen in verschiedenen Experimenten, wie z. B. solchen mit natriuminduzierten Sinusblockaden (SA), temperaturinduzierten Herzfrequenzänderungen und medikamenteninduzierten Arrhythmien sowohl bei Tg(SCN5A-D1275N)-Mutanten als auch bei Wildtyp-Fischen unter kontrollierten experimentellen Bedingungen. Die Verwendung mehrerer Elektrodenkanäle für die erweiterte EKG-Aufzeichnung des Systems ermöglicht außerdem die Durchführung randomisierter kontrollierter Studien, so dass zwei Fische pro Versuchsgruppe unter identischen Bedingungen untersucht werden können20. In diesem Artikel stellen wir die aktualisierte Version des Systems mit einer 4-Punkt-Elektrode vor. Diese Verbesserung ermöglicht es dem Benutzer, EKG-Messwerte von verschiedenen Stellen am Fisch zu erfassen, wodurch die Wahrscheinlichkeit, EKG-Signale von geringer Qualität zu erhalten, erheblich reduziert wird. Darüber hinaus baut diese Iteration auf den meisten der Funktionen auf und verfeinert sie, die in früheren research19 beschrieben wurden. Dieses weiterentwickelte EKG-System ist vielversprechend, um bestehende Einschränkungen zu beheben und dadurch die Analyse arrhythmischer Phänotypen und das Screening von Medikamenten im Zebrafisch erheblich zu erleichtern. Die innovative Ergänzung der 4-Punkt-Elektrode wurde im Rahmen einer kurzen Studie über medikamenteninduzierte Arrhythmien bei Wildtyp-Zebrafischen rigoros getestet, um ihre Wirksamkeit weiter zu bestätigen.