Kardiyovasküler hastalıklar (KVH'ler) dünya çapında önde gelen ölüm nedenidir. 2024 AHA Güncelleme Raporuna göre, ABD'de her gün yaklaşık 2552 kişi CVD'lerden ölüyor ve CVD'nin ortalama doğrudan ve dolaylı maliyetinin 2017-2018'de 378,0 milyar dolar olduğu tahmin ediliyor1. Atriyal fibrilasyon (AF), ABD2'de en sık görülen kardiyak aritmilerden biridir ve olumsuz bir prognoz ile ilişkilidir, hem KVH'lerde hem de kardiyovasküler olmayan hastalık senaryolarında inme ve ölüm riskini artırarak olumsuz sonuç riskinin artmasına neden olur3. Bu tip aritmi, genellikle hızlı ve düzensiz bir ventriküler ritim4 ile sonuçlanan kulakçıklardaki hızlı ve düzensiz elektriksel aktivitesi ile ayırt edilir. Ayrıca, COVID-19'un son olayları göz önüne alındığında, COVID-19 ile ilişkili olarak, çoğunlukla sinüs bradikardisine bağlı olarak aritmi görünümünün arttığını gösteren artan sayıda çalışma ve kanıt olmuştur5. AF'nin karşı tarafında, sinüs bradikardisi, dakikada 60 atıştan (bpm) daha düşük bir kalp atış hızı ile azalmış ve daha yavaş bir kalp ritmi sunar. Bu tanı, 60 bpm'den daha düşük bir hızda normal bir sinüs ritmi gösteren bir elektrokardiyogram (EKG) gerektirir.
Zebra balığı, Danio rerio, hem morfoloji, hem fizyoloji hem de genetik olarak insanlara homolojisi nedeniyle kardiyovasküler ve ilaç geliştirme çalışmaları için ideal bir model olduğunu kanıtlamıştır6,7. İnsanlardaki dört odacıklı kalbe kıyasla sadece iki ayırt edilebilir odaya sahip olmasına rağmen, zebra balığı benzer bir iletim sistemi ile benzer bir kasılma yapısına sahiptir8,9. Bu nedenle, zebra balığı modeli, kardiyak aritmileri araştırmak ve EKG analizi yoluyla ilgili genetik yollar ile elektrofizyolojik özellikler arasındaki ilişkiyi keşfetmek için uygundur. Zebra balıklarında EKG kaydı için sensör tasarımı ile ilgili olarak, geleneksel iğne elektrotları yaygın olarak kullanılır10. Diğer çalışmalar, farklı malzemelerden yapılmış farklı bir iğne türü tasarlayarak geleneksel iğneler için alternatifler sundu11, bunlar kaydedilen verilerin kalitesini değerlendirmek için tungsten filament, paslanmaz çelik ve gümüş tel gibi malzemeleri içeriyordu. Taşınabilir EKG kiti ile birlikte, hem araştırma hem de eğitim laboratuvarları için evrensel bir platform oluşturmaya çalıştılar.
İğne sistemi, biyolojik /veya ilaca bağlı etkiler üzerine araştırma yapmak için ><11,sup class="xref">12,13,14 gibi diğer çalışmalarda da kullanıldı. Bununla birlikte, en uygun sinyalleri elde etmek için, iğneleri zebra balığının dermisine dikkatlice sokmak gerekiyordu. Bu invaziv prosedür, iğnelerin keskinliği nedeniyle balığın kalbinin yaralanmasına neden olabilir ve bu nedenle muhtemelen sinyal morfolojisi13'ü değiştirebilir. Ayrıca, net EKG yakalamayı sağlamak için elektrodu zarar vermeden küçük kalbe doğru bir şekilde yerleştirmek, önemli bir öğrenme eğrisi sunar. Sonuç olarak, mikroelektrot dizileri (MEA) ve 3D baskılı sensörler gibi çeşitli ikame prob sistemleri tanıtıldı. Hem ekibimiz hem de diğer araştırmacılar, veri toplama için MEA'yı başarıyla kullandılar ve yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlükle birlikte iyi bir sinyal-gürültü oranı (SNR) sunan veriler elde ettiler15,16,17. Örneğin, balığın kalbini saran ve bölgeye özgü EKG sinyallerinin yakalanmasına olanak tanıyan bir MEA'yı kullanıma sunduk15,16. Buna karşılık, başka bir ekip, epilepsi araştırması için çoklu elektroensefalogramları (EEG'ler) kaydetmeyi amaçlayan poliimid filmden hazırlanmış esnek bir baskılı devre kartına (FPCB) dayanan farklı bir MEA türü geliştirdi18. MEA'lar çok sayıda sinyalin kaydedilmesini sağlarken, sınırlı sayıda elektrot kanalı nedeniyle bir seferde yalnızca bir balığı değerlendirme kapasitesi ile sınırlıdırlar. Bu sınırlamaya yanıt olarak, yakın zamanda birden fazla fish19'dan eş zamanlı EKG kaydı yapabilen gelişmiş bir sistem sergiledik. Bu sistem, her biri 125 μm kalınlığında ve poliimidden yapılmış iki elektrot kullanır ve veri toplamayı kolaylaştırmak için yuvalarının altına yerleştirilmiş altın püskürtmeli elektrotlar kullanır. Bununla birlikte, bir su sirkülasyon pompasının dahil edilmesi, EKG sinyallerinin sinyal-gürültü oranı (SNR) kalitesini etkileyen gürültüye neden oldu. Ek olarak, bir bilgisayara kablolu bağlantı gerektiren hantal ve maliyetli veri toplama araçlarının kullanılması gerekliydi. Piyasada, iWORX gibi sistemler, kompakt bir amplifikatör aracılığıyla gelişmiş taşınabilirlik sunar, ancak çözülmemiş sorunlarla karşı karşıya kalırlar: (i) kayıt süreleri, akut ilaç etkilerini içerenler gibi daha uzun süreler gerektiren deneyler için çok kısadır (3-5 dakika); (ii) Hayvanları strese sokabilecek ve doğuştan gelen kardiyak elektrofizyolojik verileri çarpıtabilecek şekilde uyuşturma gerekliliği; (iii) manuel, sıralı ölçümler çok sayıda balıkla yapılan araştırmaları engeller; ve (iv) çevrimdışı, emek yoğun EKG veri işleme ihtiyacı. Daha da önemlisi, mutant fenotipleri analiz etmek için mikroelektronik içeren yüksek verimli sistemler henüz ortaya çıkmamıştır. Bu nedenle, aritmik fenotipler ve mutant genotipler arasındaki bağlantıları ortaya çıkarmak, tek mutant genotiplerle ilişkili çoklu aritmik fenotipleri tanımlamak ve zebra balığı modelini kullanarak kardiyak ilaçların etkinliğini test etmek için genişletilmiş EKG kaydını mümkün kılan yüksek verimli sistemlerin oluşturulması çok önemlidir. Sonuç olarak, 2022'de Zebra II sisteminin çığır açan prototipini tanıttık. Bu yeni sistem, aynı anda birkaç balıktan uzun süreli EKG kayıtları yapmak için donatılmıştır. Bunu başarmak için, kablosuz veri iletimi için Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojisini kullanan ve bir mobil uygulama aracılığıyla veri analizine olanak tanıyan şirket içi bir elektronik sistem hazırlandı. IoT teknolojisinin dahil edilmesi, yalnızca sistemin esnekliğini ve taşınabilirliğini desteklemekle kalmadı, aynı zamanda zebra balığı modelleri üzerinde araştırma yapmak için uzaktan işbirliklerini de kolaylaştırdı. Daha önceki bir çalışmada, sistemin etkinliğini kapsamlı testlerle doğruladık ve 1) dört balıktan aynı anda EKG verileri elde etme; 2) 1 saate kadar sürekli EKG kayıtları gerçekleştirin, bu da yalnızca birkaç dakika yakalayan mevcut sistemlerin kapasitesini önemli ölçüde aşıyor; 3) % 50 azaltılmış Trikain konsantrasyonu kullanarak anestezinin kafa karıştırıcı etkilerini en aza indirin. Ayrıca, sistem, sodyumun neden olduğu sinoatriyal (SA) blok, sıcaklığa bağlı kalp atış hızı değişiklikleri ve hem Tg (SCN5A-D1275N) mutant hem de vahşi tip balıklarda ilaca bağlı aritmiler gibi çeşitli deneylerde uzun EKG kayıtları için güçlü bir yetenek göstermiştir. Sistemin genişletilmiş EKG kaydı için birden fazla elektrot kanalını benimsemesi, randomize kontrollü çalışmaların yürütülmesini daha da mümkün kılarak, deney grubu başına iki balığın aynı koşullar altında çalışılmasına olanak tanır20. Bu yazıda, sistemin 4 noktalı bir elektrot içeren yükseltilmiş versiyonunu tanıtıyoruz. Bu geliştirme, kullanıcıların balığın çeşitli yerlerinden EKG okumaları yakalamasına olanak tanıyarak düşük kaliteli EKG sinyalleri elde etme şansını önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, bu yineleme, önceki research19'da özetlenen işlevlerin çoğunu temel alır ve iyileştirir. Bu gelişmiş EKG sistemi, mevcut sınırlamaların ele alınmasında büyük umut vaat ediyor, böylece zebra balıklarında aritmik fenotiplerin analizini ve ilaçların taranmasını önemli ölçüde kolaylaştırıyor. 4 noktalı elektrotun yenilikçi ilavesi, vahşi tip zebra balıklarında ilaca bağlı aritmi üzerine yapılan kısa bir çalışma ile titizlikle test edildi ve etkinliği daha da doğrulandı.