afbeelding: A: Optogenetische defibrillatie (blauwe balk) stopt aritmie in muizenhart. B: simulatie van optogenetische defibrillatie (rode balk) in een model van een menselijk hart. Bekijk meer
Credit: © afbeelding: Tobias Brügmann (University Bonn) / Patrick M. Boyle (Johns Hopkins University))
een onderzoeksteam van de Universiteit van Bonn is er voor het eerst in geslaagd om lichtprikkels te gebruiken om levensbedreigende hartritmestoornissen in muizenharten te stoppen. Bovendien, zoals blijkt uit computersimulaties aan de Johns Hopkins University, kan deze techniek ook met succes worden gebruikt voor menselijke harten. De studie opent een geheel nieuwe benadering van de ontwikkeling van implanteerbare optische defibrillatoren, waarbij de sterke elektrische impulsen van conventionele defibrillatoren worden vervangen door zachtere, pijnvrije lichtimpulsen. Het Journal of Clinical Investigation heeft nu de resultaten gepubliceerd.
ventriculaire fibrillatie! Wanneer de hartspier races en niet meer samentrekt op een ordelijke manier, plotselinge dood volgt vaak als gevolg van het gebrek aan bloedcirculatie. In zo ‘ n noodgeval helpt een defibrillator de normale hartactiviteit te herstellen door middel van intense elektrische schokken. Bij patiënten met een bekend risico op deze aritmie is de profylactische implantatie van een defibrillator de voorkeursbehandeling. Als ventriculaire fibrillatie wordt gedetecteerd, wordt automatisch een puls van elektriciteit gegenereerd, die de opwinding van de hartspier normaliseert en het leven van de persoon redt.
“wanneer een geïmplanteerde defibrillator wordt geactiveerd, wat helaas ook kan gebeuren door valse detectie van aritmie, is het altijd een zeer traumatische gebeurtenis voor de patiënt”, zegt het hoofd van de studie, Junior-Professor Philipp Sasse van het Instituut voor Fysiologie I van de Universiteit van Bonn. “De sterke elektrische schok is zeer pijnlijk en kan zelfs het hart verder beschadigen”. Daarom onderzocht het team van Professor Sasse de principes voor een pijnvrij, zachter alternatief. Zoals de wetenschappers nu hebben aangetoond, kan ventriculaire fibrillatie worden gestopt door optische defibrillatie.
Optische defibrillatie vereist genoverdracht
het team gebruikte de nieuwe methode van” optogenetische ” stimulatie van muizenharten, waarbij genen werden ingebracht voor zogenaamde kanaalrhodopsinen. Deze kanalen zijn afgeleid van groene algen en veranderen de ionendringbaarheid van hartcelmembranen wanneer ze worden verlicht. Toen de onderzoekers ventriculaire fibrillatie in het hart van de muis geactiveerd, een lichte puls van een seconde toegepast op het hart was genoeg om het normale ritme te herstellen. “Dit is een zeer belangrijk resultaat”, benadrukt hoofdauteur Dr.med. Tobias Brügmann van Professor Sasse ‘ s team. “Het toont voor het eerst experimenteel in het hart dat optogenetische stimulatie kan worden gebruikt voor defibrillatie van hartritmestoornissen”. Het werkte ook in normale muizen die channelrhodopsin door injectie van een biotechnologisch geproduceerd virus ontvingen. Dit toont een mogelijke klinische toepassing, omdat soortgelijke virussen al zijn gebruikt voor gentherapie bij menselijke patiënten.
simulaties tonen aan dat bevindingen kunnen worden toegepast op patiënten
maar zijn de bevindingen met muishart ook van toepassing op mensen? Om deze vraag te beantwoorden werken de wetenschappers van de Universiteit van Bonn samen met het Computational Cardiology Lab van prof. Natalia Trayanova aan het Institute for Computer Medicine en de afdeling Biomedische Technologie aan de Johns Hopkins University (Baltimore, VS). Daar wordt optogenetische defibrillatie getest in een computermodel van het hart van een patiënt na hartinfarct. “Onze simulaties laten zien dat een lichte hartslag ook de hartritmestoornissen van deze patiënt zou stoppen”, meldt onderzoeksprofessor Patrick Boyle, die ook hoofdauteur is. Om dit te doen, echter, de methode van de Universiteit van Bonn moest worden geoptimaliseerd voor het menselijk hart door het gebruik van rood licht om de hartcellen te stimuleren, in plaats van het blauwe licht gebruikt in muizen. Dit aspect van de studie toont de belangrijke rol aan die door computational modellering kan worden gespeeld om de systematische ontwikkeling van therapeutische toepassingen voor cardiale optogenetics te begeleiden en te versnellen, een technologie die nog in zijn kinderschoenen is.
implanteerbare optogenetische defibrillatoren zouden haalbaar kunnen zijn
“onze gegevens tonen de fundamentele haalbaarheid van optogenetische defibrillatie voor de behandeling van ventriculaire fibrillatie”, vat Prof.Sasse samen. Met behulp van licht om het fibrillerende hart terug te keren naar een normaal ritme kan worden verwacht dat pijn-vrij en veel zachter voor de patiënt dan het gebruik van elektrische schok. De nieuwe methode bevindt zich echter nog in het stadium van fundamenteel onderzoek. Totdat implanteerbare optische defibrillators kunnen worden ontwikkeld voor de behandeling van patiënten, zal het nog steeds ten minste vijf tot tien jaar duren, schat Prof.Sasse.
publicatie: optogenetic defibrillation terminates ventricular aritmia in mouse hearts and human simulations, Journal of Clinical Investigation, DOI: 10.1172 / JCI88950
Contact voor de media:
Junior Prof. Philipp Sasse
Instituut voor Fysiologie I
Universiteit van Bonn
Tel. +49-228-6885212
E-mail: [email protected]
Dr. Tobias Brügmann
Instituut voor Fysiologie I
Universiteit van Bonn
Tel. +49-228-6885217
E-mail: [email protected]