心臟活動的同步光學(xué)和電學(xué)跟蹤

心臟不同細(xì)胞類型之間的相互作用在多大程度上影響正常心律并可能引發(fā)危及生命的心律失常，目前尚不清楚。伯爾尼大學(xué)開發(fā)的一種新測量方法首次結(jié)合??了心室活動的光學(xué)和電學(xué)記錄，結(jié)合光遺傳學(xué)，可以找到這些問題的全面答案。

心臟的正常功能基于產(chǎn)生電脈沖(“動作電位”)的起搏器，這些電脈沖在整個心肌中迅速傳播，觸發(fā)收縮導(dǎo)致心跳。過去，人們認(rèn)為動作電位的傳播完全由心肌細(xì)胞控制. 然而，最近的研究結(jié)果表明，心臟的其他細(xì)胞類型，如結(jié)締組織細(xì)胞(“成纖維細(xì)胞”)和巨噬細(xì)胞，可能會額外影響動作電位的傳播，從而在確定心臟功能方面發(fā)揮重要作用。這些發(fā)現(xiàn)是使用一種稱為光遺傳學(xué)的新方法獲得的，該方法使用光來控制特定細(xì)胞類型(如成纖維細(xì)胞)的電行為，從而允許評估它們參與心臟激活過程。

為了對心臟進(jìn)行全面的光遺傳學(xué)研究，伯爾尼大學(xué)生理學(xué)系的 Stephan Rohr 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種新的實驗系統(tǒng)，稱為“全景光電測量和刺激 (POEMS)”系統(tǒng)。POEMS 系統(tǒng)是第一個允許同時進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)測量以及刺激延伸到小鼠心臟的整個心室表面的系統(tǒng)。該系統(tǒng)獲得的結(jié)果有望為正常心臟功能的研究和導(dǎo)致心律失常的機制的研究開辟新的視角。描述該系統(tǒng)的研究發(fā)表在《自然通訊》雜志 上。

結(jié)締組織細(xì)胞是導(dǎo)致心律失常的原因嗎?

先前的細(xì)胞培養(yǎng)實驗表明，心肌細(xì)胞通過電信號與活化的心臟成纖維細(xì)胞進(jìn)行交流，這種相互作用會導(dǎo)致心律失常。然而，由于傳統(tǒng)的電生理方法不適合研究這個問題，因此這種機制是否也適用于完整的心臟仍然是未知的。

如今，光遺傳學(xué)克服了缺乏合適的實驗方法的問題，光遺傳學(xué)允許直接詢問心臟肌肉和非肌肉細(xì)胞之間的細(xì)胞相互作用的存在和功能后果?？梢酝ㄟ^讓特定細(xì)胞類型(如成纖維細(xì)胞)表達(dá)所謂的“光遺傳電壓報告基因”來評估直接電通信的存在。另一方面，可以通過在這些細(xì)胞中表達(dá)“光遺傳電壓致動器”并觀察光激活對整個心臟的影響來研究這種耦合的功能后果電生理學(xué)。目前，進(jìn)行光遺傳學(xué)實驗復(fù)雜且設(shè)備密集。此外，不可能將基于電極的實驗與光學(xué)研究結(jié)合起來，這嚴(yán)重限制了可能的實驗范圍。

POEMS系統(tǒng)創(chuàng)造新的可能

“使用我們的 POEMS 系統(tǒng)，所有這些缺點都得到了克服，因為心室的整個表面都覆蓋著光學(xué)和電測量和刺激部位的組合，這允許兩種方式的自由組合，”負(fù)責(zé)人 Stephan Rohr 教授解釋說該研究的作者。新 POEMS 系統(tǒng)的核心包括一個適合小鼠心臟大小的杯子，其內(nèi)表面襯有 294 根光纖和 64 個電極。所有光纖和電極都可以單獨配置為測量和刺激位點，從而允許根據(jù)給定實驗中使用的光遺傳學(xué)報告器和執(zhí)行器的特定要求精確定制單個實驗。

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