쥐 심장에 광유전학적 다중 부위 광자극을 적용하여 고급 심장 리듬 관리
Summary
이 연구는 마이크로 LED 어레이를 사용한 국소 광 자극 및 심 외막 전위의 동시 광학 매핑을 사용하여 트랜스 제닉 채널 로돕신 -2 (ChR2) 마우스의 손상되지 않은 뮤린 심장의 심장 리듬을 제어하는 방법을보고합니다.
Abstract
심실 빈맥은 전 세계적으로 사망률과 이환율의 주요 원인입니다. 고 에너지 전기 충격을 이용한 전기 제세동은 현재 생명을 위협하는 심실 세동의 유일한 치료법입니다. 그러나 제세동에는 참을 수 없는 통증, 조직 손상, 예후 악화 등의 부작용이 있을 수 있으며, 이는 보다 부드러운 심장 리듬 관리 전략의 개발에 대한 상당한 의학적 필요성을 나타냅니다. 에너지 감소 전기적 접근 방식 외에도 심장 광유전학은 빛에 민감한 막 이온 채널과 광 펄스를 사용하여 심장 활동에 영향을 미치는 강력한 도구로 도입되었습니다. 본 연구에서, 랑겐도르프 관류된 온전한 뮤린 하트의 성공적인 광자극을 위한 강력하고 유효한 방법은 마이크로 발광 다이오드(micro-LED)의 3 x 3 어레이를 적용하는 다중 사이트 페이싱에 기초하여 설명될 것이다. 심 외막 전압파의 동시 광학 매핑을 통해 영역 별 자극의 효과를 조사하고 새로 유도 된 심장 활동을 현장에서 직접 평가할 수 있습니다. 얻어진 결과는 제세동의 효능이 심장 부정맥 동안 광 자극을 위해 선택된 매개 변수에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다. 심장의 조명 영역이 종결 성공에 중요한 역할을하며 부정맥 패턴을 수정하기위한 조명 중 심장 활동의 표적 제어가 어떻게 달성 될 수 있는지 입증 될 것입니다. 요약하면, 이 기술은 심장 리듬의 실시간 피드백 제어로 가는 길에 현장 메커니즘 조작을 최적화할 수 있는 가능성을 제공하고, 영역 특이성과 관련하여 비특이적 전기 충격 애플리케이션의 사용과 비교하여 심장계에 대한 잠재적 피해를 줄이는 새로운 접근 방식을 제공합니다.
Introduction
부정맥 동안의 공간-시간 역학에 대한 초기 조사는 심장 세동 동안의 복잡한 전기 패턴이 와류와 같은 회전 여기파에 의해 구동된다는 것을 밝혀 냈습니다1. 이 발견은 부정맥의 기본 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며, 이는 심근 2,3,4의 다중 부위 흥분을 기반으로 한 새로운 전기 종단 요법의 개발로 이어졌습니다. 그러나 전기장 자극을 이용한 치료는 국소적이지 않으며 근육 조직을 포함한 모든 주변 흥분성 세포를 자극하여 세포 및 조직 손상과 견딜 수없는 통증을 유발할 수 있습니다. 전기 요법과 달리 광유전학적 접근법은 높은 공간적 및 시간적 정밀도로 심근세포 활동 전위를 유발하기 위한 특이적이고 조직적인 보호 기술을 제공합니다. 따라서, 광유전학적 자극은 심장세동 동안 혼돈의 활성화 패턴의 최소 침습적 제어의 잠재력을 갖는다.
유전자 조작 5,6,7을 통해 흥분성 세포에 감광성 이온 채널 채널로돕신-2(ChR2)를 도입함으로써 광자극을 사용하여 흥분성 세포의 막 전위의 탈분극이 가능해졌습니다. 신경 네트워크의 활성화, 심장 활동의 제어, 시력 및 청력의 회복, 척수 손상의 치료 및 기타 8,9,10,11,12,13,14를 포함한 여러 의료 응용 프로그램이 개발되었습니다. 심장학에서 ChR2의 적용은 밀리 초 응답 시간15로 인해 상당한 잠재력을 가지며, 부정맥 심장 역학의 표적 제어에 매우 적합합니다.
본 연구에서, 트랜스제닉 마우스 모델의 온전한 심장의 다중 부위 광자극이 보여진다. 요약하면, 트랜스제닉 알파-MHC-ChR2 마우스 라인은 유럽 공동체의 제7차 프레임워크 프로그램 FP7/2007-2013(HEALTH-F2-2009-241526)의 범위 내에서 확립되었으며 S. E. Lehnart 교수가 친절하게 제공했습니다. 일반적으로, 알파-MHC의 제어하에 Cre-재조합 효소를 발현하는 형질 전환 성인 남성 C57 / B6 / J는 암컷 B6.Cg-Gt (ROSA) 26Sortm27.1 (CAG-COP4 * H134R / tdTomato) Hye / J와 짝을 이루었다. 심장 STOP 카세트가 2 세대에서 결실 되었기 때문에, 자손은 안정한 MHC-ChR2 발현을 보였고 심장 감광성 콜로니를 유지하는데 사용되었다. 모든 실험은 36-48 주령의 두 성별의 성인 마우스로 수행되었습니다. 조명은 실리콘 기반 하우징과 짧은 광학 유리 섬유가 구현되지 않는 것을 제외하고는16,17에 설명된 바와 같이 제작된 3 x 3 마이크로 LED 어레이를 사용하여 달성됩니다. 심장 응용 프로그램에서 첫 번째 사용은18에서 발견됩니다. 유사한 제조 기술에 기초한 선형 마이크로 LED 어레이가 심장 페이싱(19)을 위한 관통 프로브로서 적용되었다. 마이크로 LED는 550μm 피치에서 3 x 3 어레이로 배열되어 매우 작은 영역에서 높은 공간 분해능과 높은 복사 전력을 모두 제공합니다. 저자는이 연구에서 새로운 항 부정맥 치료 방법을 개발할 수있는 다재다능한 국소 다중 사이트 광 자극을 보여줍니다.
다음 실험 프로토콜은 역행 Langendorff ex vivo 관류를 포함하며, 이에 대해 캐뉼러 대동맥은 관류 입구로 기능합니다. 적용된 관류 압력과 심장 수축으로 인해 관류액은 대동맥에서 분기되는 관상 동맥을 통해 흐릅니다. 제시된 작업에서 심장은 관류 저장소를 1m 높이(73.2mmHg에 해당)로 상승시켜 달성한 일정한 압력 설정을 사용하여 관류되며, 이는 2.633± 0.583mL/min의 유속을 산출합니다. 두 종류의 Tyrode 용액이 실험 중에 관류수로 사용됩니다. 일반 Tyrode의 솔루션은 안정적인 부비동 리듬을 지원하는 반면, Low-K+ Tyrode의 솔루션은 Pinacidil과 혼합되어 쥐 심장에서 부정맥을 유도할 수 있습니다. 육각형 수조를 사용하면 6 개의 다른 평면 창을 통해 심장을 관찰 할 수 있으므로 굴절에 의한 왜곡이 적은 여러 광학 구성 요소의 결합이 가능합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
심장 빈맥의 성공적인 치료는 심장 치료의 핵심입니다. 그러나 부정맥 개시, 영속 및 종료의 기초가되는 생물 물리학 적 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다. 따라서 심장 연구는 부정맥의보다 부드러운 종결을 위해 전기 충격 요법을 최적화하여 환자 28,29,30,31의 삶의 질을 높이는 것을 목표로합…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 실험 중 탁월한 기술 지원에 대해 Marion Kunze와 Tina Althaus에게 감사드립니다. 결과로 이어지는 연구는 보조금 계약 번호 HEALTH-F2-2009-241526에 따라 유럽 공동체의 일곱 번째 프레임 워크 프로그램 FP7 / 2007-2013으로부터 자금을 지원 받았습니다. 독일 심혈관 연구 센터, DZHK e.V. (프로젝트 MD28), 파트너 사이트 괴팅겐, 독일 연구 재단 CRC 1002 (프로젝트 C03) 및 막스 플랑크 학회에서도 지원을 제공했습니다. 이 연구는 독일 연구 재단 (DFG, 보조금 번호 EXC 1086)이 자금을 지원하는 우수 클러스터 인 BrainLinks-BrainTools의 지원을 부분적으로 받았습니다.
Materials
| Chemical Components | |||
| Blebbistatin | TargetMol | T6038 | 10 mM stock solution |
| BSA/Albumin | Sigma-Aldrich | A4919 | |
| Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | CaCl2 |
| Carbogen | Westfalen | 50 l bottle | |
| DI-4-ANBDQPQ | AAT Bioquest | 21499 | Dye for Optical Mapping |
| Glucose | Sigma-Aldrich | D9434 | C6H12O6 |
| Heparin | LEO Pharma | Heparin-Natrium Leo 25.000 I.E./5 ml, available only on prescription | |
| Hydrochlorid Acid | Merck | 1.09057.1000 | HCl, 1 M stock solution |
| Isoflurane | CP Pharma | 1 ml/ml, available only on prescription | |
| Magnesium Chloride | Merck | 8.14733.0500 | MgCl2 |
| Monopotassium Phosphate | Sigma-Aldrich | 30407 | KH2PO4 |
| Pinacidil monohydrate | Sigma-Aldrich | P154-500mg | 10 mM stock solution |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P5405 | KCl |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | NaHCO3 |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S5886 | NaCl |
| Sodium Hydroxide | Merck | 1.09137.1000 | NaOH, 1 M stock solution |
| Electrical Setup | |||
| Biopac MP150 | Biopac Systems | MP150WSW | data acquisition and analysis system |
| Custom-built ECG, alternative ECG100C | Biopac Systems | ECG100C | Electrocardiogram Amplifier |
| Custom-built water bath heater using heating cable | RMS Heating System | HK-5,0-12 | Heating cable 120W |
| Hexagonal water bath | |||
| LED Driver Power supply | Thorlabs | KPS101 | 15 V, 2.4 A Power Supply Unit with 3.5 mm Jack Connector for One K- or T-Cube. |
| LEDD1B LED Driver | Thorlabs | LEDD1B | T-Cube LED Driver, 1200 mA Max Drive Current |
| MAP, ECG Electrode | Hugo Sachs Elektronik | BS4 73-0200 | Mini-ECG Electrode for isoalted hearts |
| micro-LED Driver e.g. AFG | Agilent Instruments | A-2230 | Arbitrary function generator (AFG) |
| Signal Generator | Agilent Instruments | A-2230 | AFG |
| micro-LED Array Components | |||
| Epoxid glue | Epoxy Technology | EPO-TEK 353ND | Two component epoxy |
| Fluoropolymer | Asahi Glass Co. Ltd. | Cytop 809M | Fluoropolymer with high transparency |
| Image reversal photoresist | Merck KGaA | AZ 5214E | Image Reversal Resist for High Resolution |
| LED chip | Cree Inc. | C460TR2227-S2100 | Blue micro-LED |
| Photoresist | Merck KGaA | AZ 9260 | Thick Positive Photoresists |
| Polyimide | UBE Industries Ltd. | U-Varnish S | Polyimide Solution |
| Silicone | NuSil Technology LLC | MED-6215 | Low viscosity silicone elastomer |
| Solvent free adhesive | John P. Kummer GmbH | Epo-Tek 301-2 | Epoxy resin with low viscosity |
| Optical Mapping | |||
| Blue Filter | Chroma Technology Corporation | ET470/40x | Blue excitation filter |
| Camera | Photometrics | Cascade 128+ | High performance EMCCD Camera |
| Camera Objective | Navitar | DO-5095 | Navitar high speed fixed focal length lenses work with CCD and CMOS cameras |
| Dichroic Mirror | Semrock | FF685-Di02-25×36 | 685 nm edge BrightLine® single-edge standard epi-fluorescence dichroic beamsplitter |
| Emmision Filter | Semrock | FF01-775/140-25 | 775/140 nm BrightLine® single-band bandpass filter |
| Heatsink | Advanced Thermal Solutions | ATSEU-077A-C3-R0 | Heat Sinks – LED STAR LED Heatsink, 45mm dia., 68mm, Black/Silver, Unthreaded Baseplate Hardware |
| LED 1 and LED 2 | LED Engin Osram | LZ4-00B208 | High Power LEDs – Single Colour Blue, 460 nm 130 lm, 700mA |
| LED 3 | Thorlabs | M625L3 | 625 nm, 700 mW (Min) Mounted LED, 1000 mA |
| Lenses | LED Engin Osram | LLNF-2T06-H | LED Lighting Lenses Assemblies LZ4 LENS NARROW FLOOD BEAM |
| Photodiode for power meter | Thorlabs | S120VC | Standard Photodiode Power Sensor |
| Power Meter | Thorlabs | PM100D | Compact Power and Energy Meter |
| Red Filter | Semrock | FF02-628/40-25 | BrightLine® single-band bandpass filter |
Referências
- Davidenko, J. M., Pertsov, A. V., Salamonsz, R. Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle. Nature. 355, 349-351 (1992).
- Fenton, F. H., et al. Termination of atrial fibrillation using pulsed low-energy far-field stimulation. Circulation. 120 (6), 467-476 (2009).
- Luther, S., et al. Low-energy control of electrical turbulence in the heart. Nature. 475, 235-239 (2011).
- Pumir, A., et al. Wave emission from heterogeneities opens a way to controlling chaos in the heart. Physical Review Letters. 99, 208101 (2007).
- Deisseroth, K. Optogenetics. Nature Methods. 8, 26-29 (2011).
- Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 8, 1263-1268 (2005).
- Nagel, G., et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (24), 13940-13945 (2003).
- Bruegmann, T., et al. Optogenetic control of heart muscle in vitro and in vivo. Nature Methods. 7, 897-900 (2010).
- Natasha, G., et al. et al.Channelrhodopsins: visual regeneration and neural activation by a light switch. New Biotechnology. 30 (5), 461-474 (2013).
- Zhang, F., et al. Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Nature. 446, 633-639 (2007).
- Alilain, W. J., et al. Light-induced rescue of breathing after spinal cord injury. Journal of Neuroscience. 28 (46), 11862-11870 (2008).
- Ahmad, A., Ashraf, S., Komai, S. Optogenetics applications for treating spinal cord injury. Asian Spine Journal. 9 (2), 299-305 (2015).
- Dieter, A., Keppeler, D., Moser, T. Towards the optical cochlear implant: Optogenetic approaches for hearing restoration. EMBO Molecular Medicine. 12 (4), e11618 (2020).
- Keppeler, D., et al. Multichannel optogenetic stimulation of the auditory pathway using microfabricated LED cochlear implants in rodents. Science Translational Medicine. 12 (553), eabb8086 (2020).
- Verhoefen, M. K., Bamann, C., Blöcher, R., Förster, U., Bamberg, E. The photocycle of channelrhodopsin-2: ultrafast reaction dynamics and subsequent reaction steps. ChemPhysChem. 11 (14), 3113-3122 (2010).
- Schwaerzle, M., Elmlinger, P., Paul, O., Ruther, P. Miniaturized tool for optogenetics based on an LED and an optical fiber interfaced by a silicon housing. , 5252-5255 (2014).
- Schwaerzle, M., Elmlinger, P., Paul, O., Ruther, P. Miniaturized 3 x 3 optical fiber array for optogenetics with integrated 460 nm light sources and flexible electrical interconnection. , 162-165 (2015).
- Diaz-Maue, L., Schwaerzle, M., Ruther, P., Luther, S., Richter, C. Follow the light – From low-energy defibrillation to multi-site photostimulation. , 4832-4835 (2018).
- Zgierski-Johnston, C., et al. Cardiac pacing using transmural multi-LED probes in channelrhodopsin-expressing mouse hearts. Progress in Biophysics and Molecular Biology. , 51-61 (2020).
- . mouser.de, LED Engin, [Online] Available from: https://www.mouser.de/datasheet/2/228/5412893-LED_2520Engin_Datasheet_LuxiGen_LZ4-00B208 (2020)
- . thorlabs.com, thorlabs, [Online] Available from: https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=25135-S01.pdf&partNumber=M625L3 (2020)
- Bruegmann, T., et al. Optogenetic defibrillation terminates ventricular arrhythmia in mouse hearts and human simulations. Journal of Clinical Investigation. 126 (10), 3894-3904 (2016).
- Richter, C., Christoph, J., Lehnart, S. E., Luther, S. Optogenetic light crafting tools for the control of cardiac arrhythmias. Methods in Molecular Biology. 1408, 293-302 (2016).
- Quiñonez Uribe, R. A., Luther, S., Diaz-Maue, L., Richter, C. Energy-reduced arrhythmia termination using global photostimulation in optogenetic murine hearts. Frontiers in Physiology. 9 (1651), (2018).
- Moreno, I. LED irradiance pattern at short distances. Applied Optics. 59 (1), 190-195 (2020).
- Behrend, A., Bittihn, P., Luther, S. Predicting unpinning success rates for a pinned spiral in an excitable medium. , 345-348 (2010).
- Kappadan, V., et al. High-resolution optical measurement of cardiac restitution, contraction, and fibrillation dynamics in beating vs. blebbistatin-uncoupled isolated rabbit hearts. Frontiers in Physiology. 11 (464), (2020).
- Christoph, J., et al. Electromechanical vortex filaments during cardiac fibrillation. Nature. 555, 667-672 (2018).
- O’Shea, C. Cardiac optogenetics and optical mapping – Overcoming spectral congestion in all-optical cardiac electrophysiology. Frontiers in Physiology. 10 (182), (2019).
- Aras, K. K., Faye, N. R., Cathey, B., Efimov, I. R. Critical volume of human myocardium necessary to maintain ventricular fibrillation. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 11 (11), e006692 (2018).
- Trayanova, N., Doshi, A. N., Prakosa, A. How personalized heart modeling can help treatment of lethal arrhythmias: A focus on ventricular tachycardia ablation strategies in post-infarction patients. Wiley Interdisciplinary Reviews in System Biology and Medicine. 12 (3), 1477 (2020).
- Bingen, B., et al. Light-induced termination of spiral wave arrhythmias by optogenetic engineering of atrial cardiomyocytes. Cardiovascular Research. 104 (1), 194-205 (2014).
- Burton, R. A. B., et al. Optical control of excitation waves in cardiac tissue. Nature Photonics. 9 (12), 813-816 (2015).
- Dura, M., Schröder-Schetelig, J., Luther, S., Lehnart, S. E. Toward panoramic in situ mapping of action potential propagation in transgenic hearts to investigate initiation and therapeutic control of arrhythmias. Frontiers in Physiology. 5, 337 (2014).
- Crocini, C., et al. Optogenetics design of mechanistically-based stimulation patterns for cardiac defibrillation. Science Reports. 6 (35628), (2016).
- Nyns, E. C. A., et al. Optogenetic termination of ventricular arrhythmias in the whole heart: towards biological cardiac rhythm management. European Heart Journal. 38 (27), 2132-2136 (2017).
- Wilde, A. A. K+atp channel opening and arrhythmogenesis. Journal of Cardiovascular Pharmacology. 24 (4), 35-40 (1994).
- Christoph, J., Luther, S. Marker-free tracking for motion artifact compensation and deformation measurements in optical mapping videos of contracting hearts. Frontiers in Physiology. 9 (1483), (2018).
- Christoph, J., Schröder-Schetelig, J., Luther, S. Electromechanical optical mapping. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 130(B), 150-169 (2017).
