Pacemaker genetico alimentato dalla luce 16.07.2015

Sebbene i pacemaker salvino molte vite - secondo le statistiche, più di 3 milioni di persone nel mondo portano tali dispositivi - il loro utilizzo è associato a determinati inconvenienti. Un pacemaker, o un pacemaker artificiale, aiuta a ripristinare la normale frequenza e periodicità delle contrazioni cardiache, altrimenti i disturbi del ritmo possono portare a conseguenze piuttosto gravi per l'intero organismo, fino alla morte. Ma affinché il pacemaker funzioni, i suoi elettrodi devono essere impiantati nel cuore, i fili da essi devono essere collegati a un generatore di impulsi, che viene impiantato sotto la pelle.

Nel tempo, i pacemaker sono diventati più piccoli ed è diventato possibile inserire elettrodi con fili nel cuore usando un catetere semplicemente attraverso le vene. Tuttavia, non importa quanto piccolo sia lo stimolatore e non importa quanto siano sottili i suoi fili, deve comunque cambiare le batterie, il che significa un'operazione inevitabile, anche se piccola. Inoltre, i fili con gli elettrodi che raggiungono il cuore possono consumarsi e devono essere sostituiti di tanto in tanto. D'altra parte, a causa della necessità di tirare i fili, non possiamo posizionare lo stimolatore dove vogliamo e non possiamo utilizzare molti punti per la stimolazione. Al cuore stesso non sempre "piace" essere stimolato da un dispositivo esterno. Infine, se parliamo di bambini, non è sempre possibile per loro mettere un pacemaker artificiale.

Udi Nussinovitch e Lior Gepstein del Technion Israel Institute of Technology hanno escogitato una specie di modello di pacemaker che non ha fili, elettrodi, batterie e che funziona letteralmente alla luce. In effetti, non esiste alcuno stimolante sotto forma di un dispositivo esterno: i ricercatori hanno introdotto una modifica optogenetica nelle cellule del cuore, che ha permesso di controllare le contrazioni cardiache. Il significato generale dei metodi optogenetici è che un gene proteico fotosensibile viene introdotto nella cellula - tale proteina, essendo integrata nella membrana cellulare, apre i canali ionici nella membrana in risposta a un impulso luminoso. E come sappiamo, è la ridistribuzione degli ioni su entrambi i lati della membrana che crea un impulso elettrochimico. L'optogenetica ha trovato l'uso più ampio in neurobiologia: introducendo una proteina fotosensibile in un neurone, possiamo arbitrariamente, usando segnali luminosi, generare un segnale in una catena di neuroni.

Ma in fondo il ritmo cardiaco dipende anche dagli impulsi elettrochimici (ricordiamo che, sebbene nel cuore siano presenti fibre del sistema nervoso autonomo, alcune speciali cellule del miocardio possono esse stesse generare segnali ritmici, formando il cosiddetto sistema di conduzione del cuore) . E nulla impedisce l'introduzione di un meccanismo optogenetico nel cuore.

I ricercatori hanno fatto proprio questo: con l'aiuto di uno speciale virus "addomesticato", hanno introdotto la proteina algale sensibile alla luce ChR2 (channelrhodopsin-2), che reagisce alla luce blu, nei ventricoli del cuore dei ratti. (Le alghe verdi unicellulari, come Chlamydomonas, usano questa proteina per trovare luoghi più luminosi.) Gli autori scrivono che potrebbero sintonizzare la frequenza cardiaca degli animali con lampi blu. Il virus consente di fornire proteine ​​a varie parti del muscolo cardiaco, in modo da poter controllare il cuore con maggiore efficienza, perché molte cellule provenienti da luoghi diversi rispondono a un segnale esterno contemporaneamente.

Per "accendere" l'optoproteina non sono necessari elettrodi: la luce blu dall'esterno, sebbene penetri piuttosto male nei tessuti viventi, può comunque raggiungere il cuore. Ma - solo se stiamo parlando di un topo. In un animale più o meno grande, per non parlare di una persona, il cuore è più profondo, quindi qui devi pensare a quanto tempo può raggiungerlo un'onda luminosa e, di conseguenza, quale proteina fotosensibile sarà necessaria. Le regioni rosse e infrarosse dello spettro potrebbero essere adatte qui e, se si tratta di esperimenti con i primati, queste sono le lunghezze d'onda che verranno utilizzate.

Vale la pena notare, tuttavia, che esistono altri approcci alla creazione di un pacemaker wireless. Circa un anno fa, abbiamo scritto dello sviluppo dei dipendenti della Stanford University che hanno proposto di supportare il lavoro del pacemaker utilizzando un generatore di onde elettromagnetiche situato proprio sulla superficie del corpo. Un'altra idea appartiene ai ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign: sono stati in grado di far funzionare il pacemaker dal muscolo cardiaco stesso, grazie all'energia delle sue contrazioni. Ma, naturalmente, l'approccio optogenetico sembra il più radicale: non è necessario impiantare alcun dispositivo nel cuore.