Генетический кардиостимулятор работает от света
Генетическая модификация сердечных клеток позволяет обойтись без привычных кардиостимуляторов с электродами, проводами и батарейками.
Хотя электрокардиостимуляторы спасают множество жизней – по статистике, более 3 млн людей по всему миру носят в себе такие устройства – их использование сопряжено с определёнными неудобствами. Электрокардиостимулятор, или искусственный водитель ритма, помогает восстановить нормальную частоту и периодичность сердечных сокращений – в противном случае расстройства ритма могут привести к довольно тяжёлым последствиям для всего организма, вплоть до смерти. Но для того, чтобы водитель ритма заработал, его электроды нужно вживить в сердце, провода от них подключить к генератору импульсов, который вживляют под кожу.
Со временем кардиостимуляторы становились всё меньше, а электроды с проводками стало возможным вводить в сердце с помощью катетера просто через вены. Однако каким бы маленьким ни был стимулятор и какими бы тонкими ни были его провода, ему всё равно нужно менять батарейки, а это означает неизбежную операцию, пусть и небольшую. Кроме того, проводки с электродами, тянущиеся к сердцу, могут изнашиваться, и время от времени их тоже нужно менять. С другой стороны, из-за необходимости тянуть провода мы не можем поставить стимулятор, куда вздумается, и не можем использовать много точек для стимуляции. Самому сердцу не всегда «нравится», что его стимулируют внешним устройством. Наконец, если речь идёт о детях, то им не всегда вообще можно поставить искусственный водитель ритма.
Уди Нусинович (Udi Nussinovitch) и Лиор Гепстейн (Lior Gepstein) из Израильского технологического института Технион предложили своеобразную модель кардиостимулятора, у которого нет ни проводов, ни электродов, ни батареек и который работает в буквальном смысле на свету. По сути, никакого стимулятора в виде внешнего устройства тут вообще нет – исследователи ввели в клетки сердца оптогенетическую модификацию, что и позволило управлять сердечными сокращениями. Общий смысл оптогенетических методов в том, что в клетку внедряется ген светочувствительного белка – такой белок, встроившись в клеточную мембрану, в ответ на световой импульс открывает в мембране ионные каналы. А как мы знаем, именно перераспределение ионов с обеих сторон мембраны и создаёт электрохимический импульс. Оптогенетика нашла широчайшее использование в нейробиологии: внедрив в нейрон светочувствительный белок, мы можем произвольно, с помощью световых сигналов, генерировать сигнал в цепочке нейронов.
Но ведь и сердечный ритм зависит от электрохимических импульсов (напомним, что, хотя в сердце и есть волокна вегетативной нервной системы, некоторые особенные клетки миокарда могут сами генерировать ритмические сигналы, формируя так называемую проводящую систему сердца). И ничто не мешает внедрить оптогенетический механизм в сердце.
Исследователи так и сделали: с помощью специального «одомашненного» вируса они внедрили в желудочки сердца крыс водорослевый светочувствительный белок ChR2 (channelrhodopsin-2), реагирующий на синий свет. (Одноклеточным зелёным водорослям, вроде хламидомонад, этот белок помогает искать более освещённые места.) В статье в Nature Biotechnology авторы пишут, что они могли настраивать частоту сердечных сокращений животных с помощью синих вспышек. Вирус позволяет доставить белок в самые разные участки сердечной мышцы, поэтому контролировать сердце можно с большей эффективностью, ведь на внешний сигнал здесь отзываются сразу много клеток из разных мест.
Чтобы «включить» оптобелок, не нужно никаких электродов: синий свет снаружи, хотя и довольно плохо проникает сквозь живые ткани, всё же может дойти до сердца. Но – только если речь идёт о крысе. У мало-мальски крупного животного, не говоря уже о человеке, сердце лежит глубже, так что здесь нужно подумать о том, световая волна какой длины сможет до него добраться и, соответственно, какой понадобится светочувствительный белок. Здесь могли бы подойти красные и инфракрасные области спектра, и, если дело дойдёт до экспериментов с приматами, именно такие волны и будут использовать.
Стоит заметить, впрочем, что есть и другие подходы к созданию беспроводного кардиостимулятора. Около года назад мы писали о разработке сотрудников Стэнфордского университета, которые предложили поддерживать работу ритмоводителя с помощью генератора электромагнитных волн, расположенного просто на поверхности тела. Другая идея принадлежит исследователям из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне – они смогли заставить кардиостимулятор работать от самой сердечной мышцы, за счёт энергии его сокращений. Но, конечно, оптогенетический подход выглядит самым радикальным – здесь вообще не нужно вживлять в сердце никакого устройства.
