基因起搏器由光驱动。免费技术图书馆新闻

由光驱动的基因起搏器

16.07.2015

尽管起搏器挽救了许多生命——据统计，全世界有超过 3 万人携带此类设备——但它们的使用会带来一定的不便。起搏器或人工起搏器有助于恢复心脏收缩的正常频率和周期性——否则，节律紊乱会对整个生物体造成相当严重的后果，直至死亡。但是为了让起搏器工作，它的电极必须植入心脏，它们的导线必须连接到植入皮下的脉冲发生器。

随着时间的推移，起搏器变得更小，并且可以使用导管将带有导线的电极简单地通过静脉插入心脏。但是，刺激器再小，电线再细，还是要换电池，虽然是小动作，但还是不可避免的操作。此外，连接到心脏的带有电极的导线可能会磨损，需要不时更换。另一方面，由于需要拉线，我们不能将刺激器放在我们想要的任何地方，也不能使用很多点进行刺激。心脏本身并不总是“喜欢”受到外部设备的刺激。最后，如果我们谈论的是儿童，那么他们根本不可能放置人工心脏起搏器。

Technion Israel Institute of Technology 的 Udi Nussinovitch 和 Lior Gepstein 提出了一种没有电线、没有电极、没有电池的起搏器模型，并且可以在光线下工作。事实上，根本没有外部设备形式的兴奋剂——研究人员将光遗传学修饰引入心脏细胞，这使得控制心脏收缩成为可能。光遗传学方法的一般含义是将光敏蛋白基因引入细胞中 - 这种蛋白质已整合到细胞膜中，响应光脉冲打开膜中的离子通道。正如我们所知，正是离子在膜两侧的重新分布产生了电化学脉冲。光遗传学在神经生物学中的应用最为广泛：通过将光敏蛋白引入神经元，我们可以任意利用光信号在神经元链中产生信号。

但毕竟心律也依赖于电化学脉冲（回想一下，虽然心脏中有自主神经系统的纤维，但一些特殊的心肌细胞本身可以产生节律信号，形成所谓的心脏传导系统） . 没有什么能阻止在心脏中引入光遗传学机制。

研究人员就是这样做的：在一种特殊的“驯化”病毒的帮助下，他们将对蓝光有反应的藻类光敏蛋白 ChR2（channelrhodopsin-2）引入大鼠的心室。（单细胞绿藻，如衣藻，使用这种蛋白质来寻找更明亮的地方。）作者写道，他们可以用蓝色闪光来调节动物的心率。该病毒允许您将蛋白质输送到心肌的各个部位，因此您可以更有效地控制心脏，因为来自不同地方的许多细胞同时对外部信号作出反应。

要“打开”光蛋白，不需要电极：来自外部的蓝光虽然穿透活组织的能力较差，但仍然可以到达心脏。但是 - 只有当我们谈论的是一只老鼠。在或多或少的大型动物中，更不用说人了，心脏位于更深的地方，所以在这里你需要考虑光波可以到达多长时间，因此需要什么光敏蛋白。光谱的红色和红外区域可能适合这里，如果涉及灵长类动物的实验，这些是将使用的波长。

然而，值得注意的是，还有其他方法可以创建无线起搏器。大约一年前，我们写过斯坦福大学员工的发展，他们提议使用位于身体表面的电磁波发生器来支持起搏器的工作。另一个想法属于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员——他们能够使起搏器从心肌本身工作，因为它的收缩能量。但是，当然，光遗传学方法看起来是最激进的——根本不需要在心脏中植入任何设备。

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