Генетичний кардіостимулятор працює від світла 16.07.2015

Хоча електрокардіостимулятори рятують безліч життів – за статистикою, понад 3 млн людей по всьому світу носять у собі такі пристрої – їх використання пов'язане з певними незручностями. Електрокардіостимулятор, або штучний водій ритму, допомагає відновити нормальну частоту та періодичність серцевих скорочень – інакше розлади ритму можуть призвести до досить тяжких наслідків для всього організму, аж до смерті. Але для того, щоб водій ритму запрацював, його електроди потрібно вживити в серці, дроти від них підключити до генератора імпульсів, який вживлюють під шкіру.

Згодом кардіостимулятори ставали дедалі меншими, а електроди з проводками стало можливим вводити в серце за допомогою катетера просто через вени. Однак яким би маленьким не був стимулятор і хоч би якими тонкими були його дроти, йому все одно потрібно міняти батарейки, а це означає неминучу операцію, хай і невелику. Крім того, проводки з електродами, що тягнуться до серця, можуть зношуватися, і іноді їх також потрібно міняти. З іншого боку, через необхідність тягнути дроти ми не можемо поставити стимулятор, куди заманеться, і не можемо використовувати багато точок для стимуляції. Самому серцю не завжди "подобається", що його стимулюють зовнішнім пристроєм. Зрештою, якщо йдеться про дітей, то їм не завжди взагалі можна встановити штучний водій ритму.

Уді Нусінович (Udi Nussinovitch) та Ліор Гепстейн (Lior Gepstein) з Ізраїльського технологічного інституту Техніон запропонували своєрідну модель кардіостимулятора, який не має ні проводів, ні електродів, ні батарейок і який працює в буквальному сенсі на світлі. По суті, ніякого стимулятора у вигляді зовнішнього пристрою тут взагалі немає - дослідники ввели в клітини серця оптогенетичну модифікацію, що дозволило керувати серцевими скороченнями. Загальний зміст оптогенетичних методів у цьому, що у клітину впроваджується ген світлочутливого білка - такий білок, вбудувавшись у клітинну мембрану, у відповідь світловий імпульс відкриває у мембрані іонні канали. А як ми знаємо, саме перерозподіл іонів з обох боків мембрани створює електрохімічний імпульс. Оптогенетика виявила найширше використання в нейробіології: впровадивши в нейрон світлочутливий білок, ми можемо довільно, за допомогою світлових сигналів, генерувати сигнал у ланцюжку нейронів.

Але ж і серцевий ритм залежить від електрохімічних імпульсів (нагадаємо, що, хоча в серці і є волокна вегетативної нервової системи, деякі особливі клітини міокарда можуть самі генерувати ритмічні сигнали, формуючи так звану систему серця, що проводить). І ніщо не заважає запровадити оптогенетичний механізм у серці.

Дослідники так і зробили: за допомогою спеціального "одомашненого" вірусу вони впровадили в шлуночки серця щурів водоростевий світлочутливий білок ChR2 (channelrhodopsin-2), що реагує на синє світло. (Одноклітинним зеленим водоростям, на кшталт хламідомонаду, цей білок допомагає шукати більш освітлені місця.) Автори пишуть, що вони могли налаштовувати частоту серцевих скорочень тварин за допомогою синіх спалахів. Вірус дозволяє доставити білок в різні ділянки серцевого м'яза, тому контролювати серце можна з більшою ефективністю, адже на зовнішній сигнал тут відгукуються відразу багато клітин з різних місць.

Щоб "включити" оптобілок, не потрібно ніяких електродів: синє світло зовні, хоча і досить погано проникає крізь живі тканини, все ж таки може дійти до серця. Але - тільки якщо йдеться про щура. У більш-менш великої тварини, не кажучи вже про людину, серце лежить глибше, так що тут потрібно подумати про те, світлова хвиля якої довжини зможе до нього дістатися і, відповідно, який знадобиться світлочутливий білок. Тут могли б підійти червоні та інфрачервоні області спектру, і якщо справа дійде до експериментів з приматами, саме такі хвилі й будуть використовувати.

Втім, є й інші підходи до створення бездротового кардіостимулятора. Близько року тому ми писали про створення співробітників Стенфордського університету, які запропонували підтримувати роботу ритмоводія за допомогою генератора електромагнітних хвиль, розташованого просто на поверхні тіла. Інша ідея належить дослідникам з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні - вони змогли змусити кардіостимулятор працювати від самого серцевого м'яза, за рахунок енергії його скорочень. Але, звичайно, оптогенетичний підхід виглядає найрадикальнішим – тут взагалі не потрібно вживляти в серці жодного пристрою.