光驯服了小鼠和虚拟人中极度致命的心脏疾病
这幅插图描绘了在利用光——光遗传学除颤法——来使一个心律失常的心脏恢复正常心跳之前,期间和之后的心电图读数。
通过用高科技的人体心脏模型和小鼠实验,约翰霍普金斯大学和德国波恩大学的科学家们已经表明,光束可以取代电击用在因为致命的心脏节律紊乱而昏厥的患者身上。
这项发表在2016年9月12日在线出版的《临床研究杂志(The Journal of Clinical Investigation)》十月刊上的研究结果,可能会为一种新型的植入式除颤器铺平道路。
目前的设备提供的电脉冲令人非常痛苦,而且可能会损坏心脏组织。约翰霍普金斯大学和波恩大学的研究人员说,以光为基础的治疗方法,应该能为患有高风险心律失常的患者提供一种更安全、更温和的治疗方案,心率失常是一种能在几分钟内导致心脏性猝死的不规则的心跳。
这个想法源于光遗传学领域的进展,在光遗传学中光敏蛋白质被嵌入到活组织中,从而使得用光源来修改细胞内的电活动成为可能。
“我们正在研究光学心脏除颤,在这种方案中将会用光去照射发生心脏骤停的病人,而我们将能够以一种温柔而无痛的方式来恢复心脏的正常功能,”Natalia Trayanova说,她是在约翰霍普金斯大学指导该项研究的人。
Trayanova生物医学工程系的Murray B. Sachs名誉教授,同时是约翰霍普金斯大学计算医学研究所的一名核心教员。
为了将新的心脏治疗方法更进一步实用化,波恩大学和约翰霍普金斯大学的科学家们致力于两种不同类型的研究。
波恩大学的团队的试验对小鼠的心脏进行冲击——这些小鼠的细胞被进行了基因改造以表达出对光反应的蛋白质——并改变器官内的电活动。
当波恩大学的研究人员在小鼠的心脏引发心室颤动时,一个一秒钟的光脉冲应用到心脏上就足以使其恢复正常的节奏。“这是一个非常重要的结果,”Tobias Bruegmann说,他是这篇杂志文章的第一作者。“它首次实验性的证明了光可用于心律失常的除颤。”
为了了解这种技术是否可以帮助病人,约翰斯霍普金斯大学的Trayanova团队在一个详细的人类心脏计算机模型中进行了一项类似的实验,该计算机模型来自于一名经历了心脏病发作现在有心律失常风险的患者的核磁共振成像(MRI)扫描。
“我们的实验表明,作用在心脏上的光脉冲可以停止该患者的心律失常,”Patrick M. Boyle说,他是霍普金斯大学生物医学工程研究教授,也是该杂志文章的第一作者之一。
然而,为了达到这个效果,来自波恩大学的方法必须要加以调整以用在人类心脏上,那就是改成用红光刺激心脏细胞,而不是像在小鼠身上那样使用蓝光。Boyle是Trayanova实验室的一名小组成员,他解释说用在小得多的小鼠心脏上的蓝光不足以完全穿透人类的心脏组织。而具有较长波长的红光,在虚拟人体试验中则更有效。
“除了展示给一名患者的虚拟心脏进行光遗传学除颤的可行性之外,该模拟揭示了光改变心脏细胞的集体电学行为从而达到预期的心律失常终止的精确方法,”Trayanova说。
Boyle说,这方面的研究突出了计算机模拟可以在指导和促进心脏光遗传学治疗应用的发展上起到重要的作用,心脏光遗传学治疗是一种仍处于起步阶段的技术。
波恩大学生理学研究所的青年教授Philipp Sasse是这篇论文的通讯作者,他主管了在德国的项目,他认为在这项有前途的光治疗方法成为常见的医疗手段之前还需要非常多的时间和研究。
“这种新的方法仍处于基础研究阶段,”Sasse说。“距离开发出治疗患者的可植入光学除颤器还会需要至少五到十年的时间。”
来源:LabBang资讯