Rozrusznik genetyczny zasilany światłem 16.07.2015

Chociaż rozruszniki serca ratują wiele istnień – według statystyk ponad 3 miliony ludzi na świecie nosi takie urządzenia – ich stosowanie wiąże się z pewnymi niedogodnościami. Stymulator lub sztuczny rozrusznik pomaga przywrócić normalną częstotliwość i okresowość skurczów serca - w przeciwnym razie zaburzenia rytmu mogą prowadzić do dość poważnych konsekwencji dla całego organizmu, aż do śmierci. Ale aby rozrusznik działał, jego elektrody muszą być wszczepione w serce, przewody z nich muszą być podłączone do generatora impulsów, który wszczepia się pod skórę.

Z biegiem czasu rozruszniki serca stały się mniejsze i stało się możliwe wprowadzanie elektrod z przewodami do serca za pomocą cewnika po prostu przez żyły. Jednak bez względu na to, jak mały jest stymulator i jak cienkie są jego przewody, nadal wymaga wymiany baterii, co oznacza nieuniknioną operację, choć niewielką. Ponadto przewody z elektrodami docierające do serca mogą się zużywać i co jakiś czas trzeba je wymieniać. Z drugiej strony, ze względu na konieczność przeciągania przewodów, nie możemy umieścić stymulatora w dowolnym miejscu i nie możemy wykorzystać wielu punktów do stymulacji. Samo serce nie zawsze „lubi” być pobudzane przez urządzenie zewnętrzne. Wreszcie, jeśli mówimy o dzieciach, to nie zawsze w ogóle jest możliwe założenie sztucznego rozrusznika.

Udi Nussinovitch i Lior Gepstein z Technion Israel Institute of Technology opracowali rodzaj rozrusznika serca, który nie ma przewodów, elektrod, baterii i który dosłownie działa w świetle. W rzeczywistości nie ma w ogóle stymulanta w postaci urządzenia zewnętrznego – naukowcy wprowadzili do komórek serca modyfikację optogenetyczną, która umożliwiła kontrolowanie skurczów serca. Ogólne znaczenie metod optogenetycznych polega na tym, że do komórki wprowadzany jest gen światłoczułego białka - takie białko, po zintegrowaniu z błoną komórkową, otwiera kanały jonowe w błonie w odpowiedzi na impuls świetlny. A jak wiemy, to redystrybucja jonów po obu stronach membrany wytwarza impuls elektrochemiczny. Optogenetyka znalazła najszersze zastosowanie w neurobiologii: wprowadzając światłoczułe białko do neuronu, możemy dowolnie, za pomocą sygnałów świetlnych, wygenerować sygnał w łańcuchu neuronów.

Ale przecież rytm serca zależy również od impulsów elektrochemicznych (przypomnijmy, że chociaż w sercu znajdują się włókna autonomicznego układu nerwowego, niektóre specjalne komórki mięśnia sercowego mogą same generować rytmiczne sygnały, tworząc tak zwany układ przewodzący serca) . I nic nie stoi na przeszkodzie wprowadzeniu do serca mechanizmu optogenetycznego.

Naukowcy właśnie to zrobili: za pomocą specjalnego „udomowionego” wirusa wprowadzili do komór serca szczurów wrażliwe na światło białko ChR2 (channelrodopsyna-2), które reaguje na światło niebieskie. (Jednokomórkowe zielone algi, takie jak Chlamydomonas, wykorzystują to białko, aby znaleźć jaśniejsze miejsca.) Autorzy piszą, że mogli dostroić tętno zwierząt za pomocą niebieskich błysków. Wirus umożliwia dostarczanie białka do różnych części mięśnia sercowego, dzięki czemu można z większą wydajnością kontrolować pracę serca, ponieważ wiele komórek z różnych miejsc jednocześnie reaguje na sygnał z zewnątrz.

Do „włączenia” optoproteiny nie są potrzebne żadne elektrody: niebieskie światło z zewnątrz, choć dość słabo penetruje żywe tkanki, nadal może dotrzeć do serca. Ale - tylko jeśli mówimy o szczurze. U mniej lub bardziej dużego zwierzęcia, nie wspominając o człowieku, serce leży głębiej, więc tutaj trzeba pomyśleć o tym, jak długo fala świetlna może do niego dotrzeć i odpowiednio, jakie światłoczułe białko będzie potrzebne. Obszary widma w kolorze czerwonym i podczerwonym mogą być tutaj odpowiednie, a jeśli chodzi o eksperymenty z naczelnymi, to właśnie te długości fal zostaną użyte.

Warto jednak zauważyć, że istnieją inne podejścia do tworzenia bezprzewodowego rozrusznika serca. Około rok temu pisaliśmy o rozwoju pracowników Uniwersytetu Stanforda, którzy zaproponowali wspomaganie pracy rozrusznika za pomocą generatora fal elektromagnetycznych zlokalizowanego właśnie na powierzchni ciała. Inny pomysł należy do badaczy z University of Illinois w Urbana-Champaign – udało im się sprawić, by rozrusznik działał z samego mięśnia sercowego, dzięki energii jego skurczów. Ale oczywiście podejście optogenetyczne wygląda najbardziej radykalnie – w ogóle nie ma potrzeby wszczepiania żadnego urządzenia do serca.