Nature子刊:同时进行光和电跟踪心脏活动

【字体: 时间:2021年10月13日 来源:Nature Communications

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  不同类型的心脏细胞之间的相互作用在多大程度上影响正常的心律,并可能引发危及生命的心律失常,这仍然是难以捉摸的。伯尔尼大学开发的一种新的测量方法首次结合了对心室激活的光学和电记录,结合光遗传学,将能够找到这些问题的全面答案。

  

不同类型的心脏细胞之间的相互作用在多大程度上影响正常的心律,并可能引发危及生命的心律失常,这仍然是难以捉摸的。伯尔尼大学开发的一种新的测量方法首次结合了对心室激活的光学和电记录,结合光遗传学,将能够找到这些问题的全面答案。

心脏的正常功能是建立在起搏器产生电脉冲(“动作电位”)的基础上的,这些电脉冲迅速扩散到整个心肌,在那里它们引发收缩,导致心跳。过去,人们认为动作电位的传播完全由心肌细胞控制。然而,最近的研究表明,心脏的其他细胞类型,如结缔组织细胞(“成纤维细胞”)和巨噬细胞,可能还会影响动作电位的传播,因此,在决定心脏功能方面发挥重要作用。这些发现是通过一种叫做光遗传学的新方法获得的,这种方法使用光来控制确定的细胞类型(如成纤维细胞)的电行为,从而允许评估它们在心脏激活过程中的参与情况。

为了对心脏进行全面的光遗传学研究,伯尔尼大学生理学系的Stephan Rohr领导的研究人员开发了一种新的实验系统,称为“全景光电测量和刺激(POEMS)”系统。poem系统是第一个允许同时进行光学和电测量和刺激,覆盖整个小鼠心脏心室表面的系统。该系统的研究结果有望为正常心功能的研究和心律失常机制的研究开辟新的前景。描述该系统的研究发表在《自然通讯》杂志上。

结缔组织细胞是导致心律失常的原因?

以前的细胞培养实验表明,心肌细胞通过电信号与活化的成纤维细胞交流,这种相互作用导致心律失常。然而,由于传统的电生理学方法不适合研究这个问题,这一机制是否也适用于完整的心脏仍然是未知的。

目前,光遗传学解决了缺乏合适的实验方法的问题,它允许直接询问心脏肌肉和非肌肉细胞之间的细胞相互作用的存在和功能后果。通过让特定类型的细胞(如成纤维细胞)表达所谓的“光遗传电压报告”,可以评估直接电通信的存在。另一方面,这种耦合的功能后果可以通过在这些细胞中表达“光发生电压执行器”和观察光激活对整个心脏电生理的影响来研究。目前,光遗传学实验操作复杂,设备密集。此外,不可能将基于电极的实验与光学研究相结合,这严重限制了可能的实验范围。

诗歌系统创造了新的可能性

该研究的主要作者Stephan Rohr教授解释说:“有了我们的poem系统,所有这些缺点都被克服了,因为脑室的整个表面覆盖着光电测量和刺激位点,这允许两种模式的自由组合。”新poem系统的核心是一个由294根光纤和64个电极组成的内壁杯,大小与鼠标心脏大小相当。所有的光纤和电极都可以单独配置为测量和刺激点,从而允许针对特定实验中使用的光发生报告器和致动器的特定要求对单个实验进行精确定制。

利用表达光遗传电压的受刺激小鼠心脏,同时进行心脏激活的光学和电全景测量,结果表明,无论测量方式如何,脑室动作电位传播的一致性和高度精确测量,光和电确定的激活时间之间的差异小于一毫秒。除此之外,poem系统的设计目标是实现直接和有效的实验。该研究的合著者迈克尔·里格尔(Michael Rieger)说:“使用我们的‘先放后走’方法,在孤立的老鼠被放入测量容器后,实验可以立即开始。”里格尔与生理学部门的其他成员共同开发了该系统。心中的温柔的治疗增加实验的成功率以及诗歌系统所提供的信息内容也增加相关,3 r原则(替换,减少,细化),因为动物实验的数量需要回答一个给定的问题可以大大减少。

Stephan Rohr说:“随着POEMS系统的就位,我们目前正在研究一个迫切的问题,即心律失常是否也可以由非肌肉细胞引起,比如激活的结缔组织细胞。”如果是这样,这将开辟治疗心律失常的新途径,因为不同于肌肉细胞的细胞类型可能成为抗心律失常治疗的靶点。

DOI

10.1038 / s41467 - 021 - 26039 - 8

Enabling comprehensive optogenetic studies of mouse hearts by simultaneous opto-electrical panoramic mapping and stimulation



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