心脏活动的同步光学和电学跟踪

心脏不同细胞类型之间的相互作用在多大程度上影响正常心律并可能引发危及生命的心律失常，目前尚不清楚。伯尔尼大学开发的一种新测量方法首次结合​​了心室活动的光学和电学记录，结合光遗传学，可以找到这些问题的全面答案。

心脏的正常功能基于产生电脉冲(“动作电位”)的起搏器，这些电脉冲在整个心肌中迅速传播，触发收缩导致心跳。过去，人们认为动作电位的传播完全由心肌细胞控制. 然而，最近的研究结果表明，心脏的其他细胞类型，如结缔组织细胞(“成纤维细胞”)和巨噬细胞，可能会额外影响动作电位的传播，从而在确定心脏功能方面发挥重要作用。这些发现是使用一种称为光遗传学的新方法获得的，该方法使用光来控制特定细胞类型(如成纤维细胞)的电行为，从而允许评估它们参与心脏激活过程。

为了对心脏进行全面的光遗传学研究，伯尔尼大学生理学系的 Stephan Rohr 领导的研究人员开发了一种新的实验系统，称为“全景光电测量和刺激 (POEMS)”系统。POEMS 系统是第一个允许同时进行光学和电学测量以及刺激延伸到小鼠心脏的整个心室表面的系统。该系统获得的结果有望为正常心脏功能的研究和导致心律失常的机制的研究开辟新的视角。描述该系统的研究发表在《自然通讯》杂志 上。

结缔组织细胞是导致心律失常的原因吗?

先前的细胞培养实验表明，心肌细胞通过电信号与活化的心脏成纤维细胞进行交流，这种相互作用会导致心律失常。然而，由于传统的电生理方法不适合研究这个问题，因此这种机制是否也适用于完整的心脏仍然是未知的。

如今，光遗传学克服了缺乏合适的实验方法的问题，光遗传学允许直接询问心脏肌肉和非肌肉细胞之间的细胞相互作用的存在和功能后果。可以通过让特定细胞类型(如成纤维细胞)表达所谓的“光遗传电压报告基因”来评估直接电通信的存在。另一方面，可以通过在这些细胞中表达“光遗传电压致动器”并观察光激活对整个心脏的影响来研究这种耦合的功能后果电生理学。目前，进行光遗传学实验复杂且设备密集。此外，不可能将基于电极的实验与光学研究结合起来，这严重限制了可能的实验范围。

POEMS系统创造新的可能

“使用我们的 POEMS 系统，所有这些缺点都得到了克服，因为心室的整个表面都覆盖着光学和电测量和刺激部位的组合，这允许两种方式的自由组合，”负责人 Stephan Rohr 教授解释说该研究的作者。新 POEMS 系统的核心包括一个适合小鼠心脏大小的杯子，其内表面衬有 294 根光纤和 64 个电极。所有光纤和电极都可以单独配置为测量和刺激位点，从而允许根据给定实验中使用的光遗传学报告器和执行器的特定要求精确定制单个实验。

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