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Genetischer Schrittmacher, angetrieben durch Licht

16.07.2015

Obwohl Herzschrittmacher viele Leben retten – laut Statistik tragen mehr als 3 Millionen Menschen weltweit solche Geräte – ist ihre Verwendung mit gewissen Unannehmlichkeiten verbunden. Ein Herzschrittmacher oder ein künstlicher Herzschrittmacher hilft, die normale Frequenz und Periodizität der Herzkontraktionen wiederherzustellen – andernfalls können Rhythmusstörungen zu schwerwiegenden Folgen für den gesamten Organismus führen, bis hin zum Tod. Aber damit der Schrittmacher funktioniert, müssen seine Elektroden in das Herz implantiert werden, die Drähte von ihnen müssen mit einem Impulsgenerator verbunden werden, der unter die Haut implantiert wird.

Im Laufe der Zeit wurden Schrittmacher kleiner und es wurde möglich, Elektroden mit Drähten mit einem Katheter einfach durch die Venen ins Herz einzuführen. Aber egal wie klein der Stimulator ist und egal wie dünn seine Drähte sind, er muss immer noch die Batterien wechseln, was eine unvermeidliche Operation bedeutet, wenn auch eine kleine. Außerdem können sich die Drähte mit Elektroden, die bis zum Herzen reichen, abnutzen und müssen von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Andererseits können wir den Stimulator aufgrund der Notwendigkeit, an den Drähten zu ziehen, nicht überall platzieren, wo wir wollen, und wir können nicht viele Punkte für die Stimulation verwenden. Das Herz selbst „mag“ es nicht immer, von einem externen Gerät stimuliert zu werden. Wenn wir schließlich von Kindern sprechen, dann ist es ihnen nicht immer möglich, überhaupt einen künstlichen Herzschrittmacher einzusetzen.

Udi Nussinovitch und Lior Gepstein vom Technion Israel Institute of Technology haben sich eine Art Herzschrittmachermodell ausgedacht, das keine Drähte, keine Elektroden, keine Batterien hat und buchstäblich im Licht funktioniert. Tatsächlich gibt es überhaupt kein Stimulans in Form eines externen Geräts – die Forscher führten eine optogenetische Modifikation in die Herzzellen ein, die es ermöglichte, Herzkontraktionen zu kontrollieren. Die allgemeine Bedeutung optogenetischer Methoden besteht darin, dass ein photosensitives Proteingen in die Zelle eingeführt wird – ein solches Protein, das in die Zellmembran integriert ist, öffnet als Reaktion auf einen Lichtimpuls Ionenkanäle in der Membran. Und wie wir wissen, ist es die Umverteilung von Ionen auf beiden Seiten der Membran, die einen elektrochemischen Impuls erzeugt. Am weitesten verbreitet ist die Optogenetik in der Neurobiologie: Indem wir ein lichtempfindliches Protein in ein Neuron einbringen, können wir mit Lichtsignalen willkürlich ein Signal in einer Kette von Neuronen erzeugen.

Aber schließlich hängt der Herzrhythmus auch von elektrochemischen Impulsen ab (denken Sie daran, dass, obwohl es im Herzen Fasern des autonomen Nervensystems gibt, einige spezielle Myokardzellen selbst rhythmische Signale erzeugen können, die das sogenannte Erregungsleitungssystem des Herzens bilden). . Und nichts verhindert die Einführung eines optogenetischen Mechanismus im Herzen.

Genau das taten die Forscher: Mit Hilfe eines speziellen „domestizierten“ Virus schleusten sie das auf blaues Licht reagierende lichtempfindliche Algenprotein ChR2 (Channelrhodopsin-2) in die Herzkammern von Ratten ein. (Einzellige Grünalgen wie Chlamydomonas verwenden dieses Protein, um hellere Stellen zu finden.) Die Autoren schreiben, dass sie die Herzfrequenz der Tiere mit blauen Blitzen einstellen könnten. Das Virus ermöglicht es Ihnen, Protein an verschiedene Teile des Herzmuskels zu liefern, sodass Sie das Herz effizienter kontrollieren können, da viele Zellen von verschiedenen Orten gleichzeitig auf ein externes Signal reagieren.

Um das Optoprotein „einzuschalten“, werden keine Elektroden benötigt: Blaues Licht von außen dringt zwar eher schlecht in lebendes Gewebe ein, kann aber dennoch das Herz erreichen. Aber - nur wenn wir von einer Ratte sprechen. Bei einem mehr oder weniger großen Tier, ganz zu schweigen von einem Menschen, liegt das Herz tiefer, also müssen Sie hier überlegen, wie lange eine Lichtwelle es erreichen kann und welches lichtempfindliche Protein dementsprechend benötigt wird. Der rote und der infrarote Spektralbereich könnten hier geeignet sein, und wenn es um Experimente mit Primaten geht, sind das die Wellenlängen, die verwendet werden.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass es andere Ansätze zur Schaffung eines drahtlosen Schrittmachers gibt. Vor etwa einem Jahr schrieben wir über die Entwicklung von Mitarbeitern der Stanford University, die vorschlugen, die Arbeit des Schrittmachers durch einen elektromagnetischen Wellengenerator zu unterstützen, der sich direkt auf der Körperoberfläche befindet. Eine andere Idee stammt von Forschern der Universität von Illinois in Urbana-Champaign – sie konnten den Herzschrittmacher aufgrund der Energie seiner Kontraktionen vom Herzmuskel selbst zum Laufen bringen. Aber natürlich sieht der optogenetische Ansatz am radikalsten aus - es besteht überhaupt keine Notwendigkeit, irgendein Gerät in das Herz zu implantieren.

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