Американская группа ученых продемонстрировала на сердце свиньи работу четырех видов кардиостимуляторов на основе кремниевых матриц, которые преобразуют свет в электрические токи и эффективно стимулируют клетки и ткани на уровнях оптической мощности. Результат работы опубликован в Nature. О новых возможностях оптогенетики рассказала Валерия Цвелая, заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
Гибкая биоэлектроника может предложить альтернативные пути лечения нейродегенеративных и сердечных заболеваний. Это относительно новое научное направление, которое ставит своей задачей модуляцию биоэлектрической передачи сигналов в организме человека аналогично собственным. Управлять процессами планируется с помощью света, и здесь могут быть задействованы оптогенетика и фотоэлектрохимия.
Фотостимуляцией ученые занимаются довольно давно. В кардиологии это очень важное и перспективное направление. Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти во всем мире. Согласованная работа нашего сердца обеспечивается последовательной чередой сокращений за счет волны возбуждения, которая проходит через все сердце, ритмично сокращая предсердия и желудочки, а любые отклонения от этого ритма представляют угрозу для здоровья.
В современной медицинской практике для решения этих проблем применяют электрокардиостимулятор, в первую очередь когда есть недостаточность синусового узла. В этом случае сердечная недостаточность достигает такого уровня, что необходимо постоянное стимулирование сердца вместо родного клеточного стимулятора, который дает нам природа. Сейчас имплантируется стимулятор электродный, который выжигает часть ткани. При этом его необходимо менять. Срок службы батареек — до 10 лет, но обычно замена требуется раньше. Наш организм воспринимает кардиостимулятор как чужеродный объект и предпринимает все усилия, чтобы его закрыть. Таким образом, он просто зарастает в нашем организме фиброзной тканью. К тому же он может выйти из строя из-за помех от внешних электромагнитных полей. Еще одним минусом является невозможность многозонной стимуляции из-за технических трудностей и ограничений доступа к электродным матрицам. Оптогенетика предлагает оптически управляемый доступ с высокими пространственно-временными возможностями. Но введение этого способа в клиническую практику до сих пор проблематично.
В этой работе группа ученых сфокусировались на том, чтобы использовать кремний для стимуляции как универсальный полупроводник. Попадающий на него свет преобразуется в электрический ток. Они использовали основные принципы фотоэлектрохимии и рассмотрели несколько возможных конфигураций потенциальных матриц для кардиостимулятора с кремнием. В свою очередь, эти конфигурации делятся по способу распределения частиц: диффузно или недиффузно. От этого зависит взаимное проникновение, распределение света, а, следовательно, и дальнейшая электростимуляция, в которую преобразуется свет.
Ученые оценили величину и разрешение фотостимуляции в четырех устройствах и выполнили первую оптическую многозонную стимуляцию сердца свиньи. Ноу-хау четырех новых стимуляторов в том, что они могут регулировать световое окно и тем самым — степень стимуляции. Упрощая, можно сказать, что разработчики создали специальную матрицу, и в зависимости от того, как они светят, по-разному стимулируется ткань. Что также важно, они показывают, что именно пористые структуры лучше, чем другое структурное распределение.
Кроме того, важным шагом является то, что в этой работе ученые на практике продемонстрировали работу новых стимуляторов. Устройство может надежно измерять ритм сердца, что можно использовать и при эндоскопической операции. Мы видим, что есть возможность внедрить фотостимулятор в сердце и затем эндоскопом освещать и стимулировать. В то же время, помимо сердечных тканей, их также могут использовать для нейронов.
Благодаря новой технологии можно решить и другую распространенную проблему электростимуляторов: они часто вызывают несинхронное сокращение различных отделов сердца. Ученые в работе наглядно демонстрируют возможность решения проблемы: накладывают на орган матрицу, благодаря которой сердце можно стимулировать в нескольких местах. Они ловят ритм и сразу могут стимулировать ткань именно в тех местах, в которых нужно.
С позиции использования фотоэлектрохимии это красивая работа. В то же время до внедрения оптоэлектронных устройств в медицинскую практику еще довольно далеко. Работа не решает проблемы с заменой кардиостимуляторов и невозможностью их приспособления к естественным регуляторным реакциям организма. Она лишь дает шаг в направлении менее инвазивного способа кардиостимуляции.
Само направление разработки аналогов кардиостимуляторов действительно несет в себе большой потенциал, например наша лаборатория ведет исследования в данной области — мы используем клеточные фоточувствительные вещества и программируем клетки, создавая биологический аналог кардиостимулятора на основе клеток. Но впереди нас всех ожидают многоступенчатые испытания, которые займут не один год.
