Kontrolowanie serca muszki za pomocą lasera

Poddana narkozie muszka owocowa leżała nieruchomo na szkiełku mikroskopowym. Jej skrzydełka były przyklejone do szybki, podczas gdy naukowcy celowali w jej tułów niebieskim laserem. Wiązka w żaden sposób nie raniła muszki. Pulsujące światło o stałej częstotliwości 10 impulsów na sekundę sprawiło jednak, że serce owada utrzymywało regularny rytm 10 uderzeń na sekundę. Synchronizacja była doskonała. Innymi słowy: naukowcy wynaleźli zaawansowany optyczny rozrusznik serca – urządzenie, które pozwala na kontrolowanie centralnego narządu zwierzęcia za pomocą lasera.

Typowe rozruszniki serca, które ludzkość zna od lat 50. ubiegłego wieku, wykorzystują fakt, że serce jest organem elektrycznym – każde naturalne uderzenie jest spowodowane elektrycznym impulsem zapewnianym przez węzeł zatokowo-przedsionkowy. Jeśli ten ostatni nie działa prawidłowo wszczepiane rozruszniki zastępują go, wykorzystując elektrody, które pobudzają rytm serca poprzez dostarczanie serii impulsów do mięśnia. Rozrusznik laserowy, zamiast tego, wykorzystuje nową technikę optogenetyczną. 

Naukowcy z Lehigh University rozpoczęli eksperyment od wyhodowania genetycznie zmodyfikowanych muszek owocowych, których komórki serca zawierały światłoczułe białko z alg. Następnie kierowali laser w serce muszki, aktywując wspomniane wcześniej komórki, bez konieczności naruszania ciała owada. To właśnie bezinwazyjność i pobudzanie tylko określonych komórek są jednymi z najważniejszych zalet stymulacji optycznej w porównaniu z tradycyjnymi metodami. 

Nie jest to jednak pierwszy optogenetyczny rozrusznik na świecie. Naukowcy mają już za sobą podobne eksperymenty na takich zwierzętach jak danio pręgowany czy myszy. Wykorzystanie tej techniki na muszkach owocowych może jednak rozpocząć nowy rozdział w kardiologii. Dlaczego? Przede wszystkim dlatego, że genom tego owada jest w 80 proc. zgodny z genomem człowieka i dzielimy ze sobą wiele chorób. To jednak nie wszystko.

Stymulacja optyczna serca danio możliwa była wyłącznie na wczesnym etapie rozwoju ryby, ponieważ później laser nie mógł przebić się przez tkankę. W przypadku myszy natomiast konieczne było otworzenie ścianki klatki piersiowej. Z muszkami owocowymi jest inaczej. Zespół naukowców był w stanie bezinwazyjnie stymulować serca owadów na wszystkich etapach: od larwy, przez poczwarkę, po imago. to zaś pozwala na długotrwałe badanie skutków i efektywności metody.

Czy taki rozrusznik znajdzie kiedykolwiek zastosowanie u ludzi? Na razie przed naukowcami stoi wiele wyzwań. Oczywiście największą przeszkodą jest obecnie dostarczenie wiązki laserowej do komórek serca bez wszczepiania w nie światłoczułych białek. Poza tym stymulator wykorzystany w przypadku muszek owocowych nie przebiłby się przez kości i ciało człowieka. 

Być może rozwiązaniem tego ostatniego byłoby wykorzystanie światła bliskiej podczerwieni. To jednak rodzi kolejny problem – takie światło szybko rozprasza się w organizmie, a więc naukowcy musieliby opracować sposób na lepsze skupianie wiązki. Prowadzący badania Chao Zhou twierdzi jednak: „to nie jest niemożliwe”.

Źródło: IEEE Spectrum, Lehigh University