Elekrofizjologia - Systemy mapowania do badań w zakresie elektrofizjologii serca

Choroby układu krążenia (ang. Cardiovascular disease, CVD) są główną przyczyną zgonów na całym świecie, powodując 17,3 mln zgonów rocznie. Przewiduje się, że liczba ta wzrośnie do ponad 23,6 mln do 2030 r. (1). Arytmie serca i nagła śmierć sercowa są przyczyną ponad 60% zgonów z powodu chorób sercowo-naczyniowych (2). Jakie mogłoby być możliwe rozwiązanie tego problemu?

Wyobraź sobie, że naukowiec mógłby wskazać pewien obszar chorego serca, który może być odpowiedzialny za rozwój choroby. Doprowadziłoby to do lepszego wyboru odpowiedniego leczenia i wyższego wskaźnika wyzdrowień.

Co by się stało, gdyby firmy farmaceutyczne mogły zbadać dowolny lek, który może powodować uszkodzenie serca? Zapewniłyby skuteczniejsze terapie ratujące życie, lepsze leczenie i zaoszczędzone zasoby.

Jest to możliwe dzięki technologii mapowania.

W przeszłości mierzenie i badanie potencjału czynnościowego z wsierdziowej lub nasierdziowej powierzchni serca było niewykonalne. Pomimo obecności zapisu bipolarnego i jednobiegunowego, systemy mapowania zapewniają najdokładniejszy sposób badania fizjologicznej aktywności serca na poziomie tkankowym lub narządowym (3).

Przyjrzyjmy się poniżej mapowaniu zarówno elektrycznemu, jak i optycznemu.

Co to jest mapowanie optyczne?

Mapowanie optyczne serca zostało uznane za istotną technikę badania mechanizmów arytmii serca. Technologia ta wykorzystuje obrazowanie oparte na fluorescencji do badania właściwości elektrycznych preparatów sercowych. Jest przeznaczona do pomiaru ważnych parametrów fizjologicznych, takich jak potencjał czynnościowy lub przejściowa zmiana potencjału błony związana z jonami wapnia, w wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej.

Ponadto technika ta bada nowe horyzonty w zakresie próbek biologicznych, które obejmują (między innymi):

Wyizolowane serca
Preparaty nienaruszonej tkanki serca
Skrawek mięśnia sercowego
Monowarstwy pluripotencjalnych miocytów serca zróżnicowanych z komórek macierzystych lub neonatalnych kardiomiocytów

Ale jak to działa?

Po pierwsze, izolowane serce zostaje wprowadzone w stan bez bicia. Napięcio-zależne barwniki śledzą fluktuacje różnicy potencjałów czynnościowych w błonie komórkowej kardiomiocytów. Tymczasem barwnik wrażliwy na wapń obrazuje rozprzestrzenianie się fal elektrycznych w sercu (przejściowy prąd wapniowy).

Mapowanie optyczne ma ogromny potencjał do generowania informacji o wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej na temat właściwości elektrofizjologicznych. To sprawia, że jest to popularna technika badania podstawowych mechanizmów związanych z elektryczną stabilnością w chorobach serca (4,5).

W kardiologii system mapowania optycznego analizuje podstawowy mechanizm, który reguluje stabilność elektryczną serca, aby z kolei móc kontrolować i badać różne choroby serca. Za pomocą szybkich kamer i mikroskopii fluorescencyjnej rejestruje się fluktuacje fluorescencji na powierzchni nasierdziowej lub wsierdziowej.

Korzyści z mapowania optycznego

Efektywne gromadzenie dobrej jakości danych

Mapowanie optyczne to wysokiej rozdzielczości, mało inwazyjna metoda badania aktywności elektrycznej serca. Jest w stanie wygenerować ogrom wysokiej jakości danych w krótkim czasie.

Jednoczesne pomiary wielu parametrów elektrofizjologicznych

Mapowanie optyczne to prosty sposób obrazowania aktywności elektrofizjologicznej obejmującej całe zewnętrzne serce po perfuzji Langendorffa. Obecnie jedyną znaną metodą badania szeregu podstawowych parametrów elektrofizjologicznych jest mapowanie optyczne. (6)

Szeroki zakres wykrywalnego barwnika

Zakres stosowania barwników fluorescencyjnych został rozszerzony o poziomy magnezu, sodu, potasu, pH, tlenku azotu, stanu redoks lub tlenu. Mapowanie optyczne jest zintegrowane do potężnego systemu, który umożliwia uzyskanie bardziej wszechstronnego zestawu danych. Jest to niezwykle ważne dla przyszłego mechanistycznego projektowania leków.

Co to jest mapowanie elektryczne?

Technologia mapowania elektrycznego wykorzystuje elektrody fizyczne do pomiaru i badania właściwości elektrycznych wielokomórkowych preparatów sercowych. Ten system jest specjalnie zaprojektowany do rejestrowania aktywności elektrycznej i szybko dostarcza dane przewodnictwa.

Zazwyczaj za pomocą układu wielu elektrod (ang. multiple elecrode assay MEA) oraz zaawansowanych obliczeń depolaryzacji/repolaryzacji system ten jest w stanie wykryć nieprawidłowości w różnych pierwiastkach, takich jak prądy sodowe, potasowe i wapniowe. Rozwój elektrod pomiarowych dla różnych komórek / tkanek z pewnością zmieni nasz sposób badania. Naukowcy i analitycy będą mogli lepiej rozumieć zaburzenia rytmu serca, w tym migotanie przedsionków i migotanie komór.

Wielopłaszczyznowe korzyści:

Technologia mapowania elektrycznego dokładnie rejestruje depolaryzację i repolaryzację potencjału czynnościowego w różnych obszarach serca zarówno in vivo jak i ex vivo. Ponadto może monitorować aktywność rozrusznika serca, a także przewodnictwo elektryczne / prędkość.

Mapowanie elektryczne serca dostarcza informacji, takich jak:

Miejsca inicjacji
Częstotliwość potencjałów akcji serca
Kierunek i prędkość przewodzenia
Wydłużenie przewodnictwa elektrycznego
Wydłużenie repolaryzacji
Wydłużenia w odstępach QT zarówno dla badań eksperymentalnych in vitro, jak i in vivo

Badania przesiewowe

Szukając szybkiego badania przesiewowego leków pod kątem potencjału czynnościowego serca i przewodzenia elektrycznego, mapowanie elektryczne jest doskonałą metodą by to ocenić. Daje szybką i pełną analizę wszystkich fal elektrycznych w badanych obszarach.

Z drugiej strony mapowanie optyczne jest potężnym narzędziem do badania mechanistycznego projektowania leków i ma szersze zastosowanie w zakresie odkrywania nowych leków, zwłaszcza w dziedzinie rozwoju serca. Wydobywa bardziej autentyczne i szczegółowe dane z pomocą barwników fluorescencyjnych.

Najlepsze jest to, że te dwa systemy mapowania mogą po prostu współpracować, aby wykorzystać pełny potencjał technologii mapowania. Podczas gdy mapowanie elektryczne może być wykorzystywane do monitorowania parametrów elektrofizjologicznych, mapowanie optyczne może wykonywać swoją pracę wydajniej i precyzyjniej.

Co więcej, najnowsze badania i eksperci medyczni uznali mapowanie optyczne jako wiarygodne narzędzie do badania toksyczności leków, ponieważ ma ono zdolność do dostarczania bezpośrednich elektrofizjologicznych dowodów w badaniach nowych leków (7,8,9).

Słowa końcowe

Ten artykuł jest krótkim przeglądem optycznych i elektrycznych systemów mapowania oraz ich zastosowania w badaniu i analizie serca. Te technologie mapowania zdobywają coraz większą uwagę w dziedzinie kardiologii. Mogą szybko uzyskać cenne dane przedkliniczne, umożliwiając badaczom głębszy wgląd w leczenie chorób serca. W perspektywie długoterminowej odegrają one istotną rolę w opracowywaniu leków, ponieważ ramy czasowe badań przesiewowych dotyczących toksyczności leków zostaną znacznie skrócone. Bez wątpienia pozwoliłoby to zaoszczędzić firmom farmaceutycznym miliony dolarów przed przystąpieniem do badań klinicznych i potencjalnie mogłoby uratować miliony istnień w trakcie tego procesu.

Referencje