光を利用した遺伝子ペースメーカー 16.07.2015

ペースメーカーは多くの命を救っていますが、統計によると、世界中で 3 万人以上がペースメーカーを携帯しています。 ペースメーカーまたは人工ペースメーカーは、心臓収縮の正常な頻度と周期性を回復するのに役立ちます-そうしないと、リズム障害が生物全体にかなり深刻な結果をもたらし、死に至る可能性があります. しかし、ペースメーカーが機能するためには、その電極を心臓に埋め込む必要があり、そこからのワイヤーを皮膚の下に埋め込まれたパルス発生器に接続する必要があります。

時が経つにつれて、ペースメーカーはより小さくなり、単純に静脈を通してカテーテルを使用してワイヤー付きの電極を心臓に挿入することが可能になりました. しかし、刺激装置がどんなに小さくても、ワイヤーがどんなに細くても、バッテリーを交換する必要があります。 さらに、心臓に到達する電極付きのワイヤーは摩耗する可能性があり、時々交換する必要があります。 一方、ワイヤーを引っ張る必要があるため、刺激装置を好きな場所に配置できず、刺激に多くのポイントを使用できません。 心臓自体は、外部デバイスによって刺激されることを常に「好む」とは限りません。 最後に、子供の場合、人工ペースメーカーを装着できるとは限りません。

Technion Israel Institute of Technology の Udi Nussinovitch と Lior Gepstein は、ワイヤも電極も電池も持たず、文字通り光の中で機能する一種のペースメーカー モデルを考え出しました。 実際、外部デバイスの形での興奮剤はまったくありません - 研究者は心臓細胞に光遺伝学的修飾を導入し、心臓の収縮を制御することを可能にしました。 光遺伝学的方法の一般的な意味は、感光性タンパク質遺伝子が細胞に導入されることです。このようなタンパク質は、細胞膜に組み込まれ、光パルスに応答して膜内のイオンチャネルを開きます。 そして、私たちが知っているように、電気化学的インパルスを生み出すのは、膜の両側でのイオンの再分布です。 光遺伝学は、神経生物学で最も広く使用されています。ニューロンに光感受性タンパク質を導入することにより、光信号を使用して任意にニューロンの連鎖で信号を生成できます。

しかし、結局のところ、心臓のリズムは電気化学的インパルスにも依存します (心臓には自律神経系の繊維がありますが、いくつかの特別な心筋細胞自体がリズム信号を生成し、いわゆる心臓の伝導システムを形成できることを思い出してください)。 . そして、心臓への光遺伝学的メカニズムの導入を妨げるものは何もありません。

研究者たちはまさにそれを行いました：特別な「飼いならされた」ウイルスの助けを借りて、彼らは藻類の光感受性タンパク質ChR2（チャネルロドプシン-2）をラットの心臓の心室に導入しました.これは青色光に反応します. (クラミドモナスのような単細胞の緑藻は、このタンパク質を使って明るい場所を見つけます。) 著者らは、青色の閃光で動物の心拍数を調整できると書いています。 ウイルスはタンパク質を心筋のさまざまな部分に届けることができるため、さまざまな場所からの多くの細胞が外部信号に一度に反応するため、心臓をより効率的に制御できます。

光タンパク質を「オン」にするために、電極は必要ありません。外部からの青色光は、生体組織への透過性はやや劣りますが、それでも心臓に到達する可能性があります。 しかし、ネズミについて話している場合に限ります。 人は言うまでもなく、多かれ少なかれ大きな動物では、心臓はより深いところにあるため、ここでは、光波がどれくらいの時間到達できるか、それに応じてどのような光感受性タンパク質が必要になるかを考える必要があります。 ここでは、スペクトルの赤と赤外領域が適している可能性があり、霊長類の実験に関しては、これらの波長が使用されます。

ただし、ワイヤレス ペースメーカーを作成する方法は他にもあることに注意してください。 約 XNUMX 年前、体の表面にある電磁波発生器を使用してペースメーカーの働きをサポートすることを提案したスタンフォード大学の従業員の開発について、私たちは書きました。 もう XNUMX つのアイデアは、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の研究者によるものです。彼らは、心筋の収縮エネルギーにより、心筋自体からペースメーカーを機能させることができました。 しかし、もちろん、光遺伝学的アプローチは最も過激に見えます-心臓にデバイスを埋め込む必要はまったくありません。