心臟活動(dòng)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(cè)量方法首次結(jié)合??了心室活動(dòng)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(dòng)作電位”)的起搏器，這些電脈沖在整個(gè)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(dòng)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(huì)額外影響動(dòng)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(lái)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(píng)估它們參與心臟激活過程。

為了對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，稱為“全景光電測(cè)量和刺激 (POEMS)”系統(tǒng)。POEMS 系統(tǒng)是第一個(gè)允許同時(shí)進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)測(cè)量以及刺激延伸到小鼠心臟的整個(gè)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(jī)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(shí)驗(yàn)表明，心肌細(xì)胞通過電信號(hào)與活化的心臟成纖維細(xì)胞進(jìn)行交流，這種相互作用會(huì)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(gè)問題，因此這種機(jī)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(shí)驗(yàn)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。可以通過讓特定細(xì)胞類型(如成纖維細(xì)胞)表達(dá)所謂的“光遺傳電壓報(bào)告基因”來(lái)評(píng)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(dòng)器”并觀察光激活對(duì)整個(gè)心臟的影響來(lái)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(shí)驗(yàn)復(fù)雜且設(shè)備密集。此外，不可能將基于電極的實(shí)驗(yàn)與光學(xué)研究結(jié)合起來(lái)，這嚴(yán)重限制了可能的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)都得到了克服，因?yàn)樾氖业恼麄€(gè)表面都覆蓋著光學(xué)和電測(cè)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(gè)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(gè)電極。所有光纖和電極都可以單獨(dú)配置為測(cè)量和刺激位點(diǎn)，從而允許根據(jù)給定實(shí)驗(yàn)中使用的光遺傳學(xué)報(bào)告器和執(zhí)行器的特定要求精確定制單個(gè)實(shí)驗(yàn)。

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