Борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями, входящими в число основных причин смертности во всем мире, ведется не только в операционных и кардиологических отделениях клиник, но и в научных лабораториях. Современная кардиофизиология переживает подлинную революцию, движимую стремительным развитием высокотехнологичных методов визуализации и анализа. Открытия в кардиологии сегодня совершаются с помощью сложных оптико-электронных систем, позволяющих в реальном времени наблюдать за работой сердца с точностью до миллисекунд и микрометров. Если еще недавно главным инструментом исследования был метод локальной фиксации потенциала (patch-clamp), позволяющий заглянуть в работу одиночного ионного канала, то сегодня на первый план выходят технологии многоканального картирования сердечной активности. Новые подходы позволяют проводить эксперименты с сердцем как с целостной системой, становясь тем самым незаменимым мостом между фундаментальной наукой и прикладной медициной.

На острие прогресса кардиофизиологических исследований находятся в том числе и системы картирования сердца от компании MappingLab. В данном обзоре рассматриваются практические примеры использования систем оптического и электрического картирования для решения актуальных научно-прикладных задач.

Система электрического картирования

Основу системы картирования электрических потенциалов EMS составляют многоканальный усилитель и матрица миниатюрных электродов, подключенные к компьютеру со специализированным программным обеспечением. Система позволяет с высокой точностью записывать электрические потенциалы с множества точек на поверхности ткани, анализировать распространение возбуждения, скорость проведения и выявлять аритмии в реальном времени.

Для проведения эксперимента с системой EMS достаточно подготовить исследуемые образцы — сердце in vivo или ex vivo — и подключить к нему электроды подходящей конфигурации. Программное обеспечение выполняет автоматический сбор данных и незамедлительную обработку для получения первых результатов исследования.

Исследование #1: тканевая инженерия для восстановления сердца после инфаркта

Восстановление электрической проводимости в повреждённой зоне является критически важным механизмом улучшения общей функции сердца после инфаркта. Целью исследования #1 являлась оценка эффективности нового инъекционного проводящего кардиопласта, созданного из метакрилата эластина, желатина и углеродных нанотрубок, для восстановления функции сердца после инфаркта. В ходе тестирования на повреждённые инфарктом участки миокарда имплантировался фрагмент из разработанного материала. 

Через 4 недели для анализа электрической проводимости сердца изолировали и перфузировали по методу Лангендорфа. Система электрического картирования EMS применялась для анализа распространения возбуждения в зоне инфаркта и на границе со здоровой тканью. Ключевые результаты показали, что проведение импульса в повреждённой инфарктом ткани было значительно замедлено, в то время как имплантация проводящего пласта достоверно ускоряет распространение возбуждения как в продольном, так и в поперечном направлении, по сравнению с контрольными группами. Таким образом, применение системы EMS позволило объективно и количественно подтвердить эффективность разработанного кардиопласта.

Исследование #2: функция синусового узла при сердечной недостаточности

В исследовании #2 ставилась цель изучить молекулярные и электрофизиологические механизмы дисфункции синусового узла, развивающейся на фоне сердечной недостаточности. Методология проведения эксперимента предусматривала использование супергибкого многоэлектродного массива от MappingLab, который был точно установлен на эндокардиальную поверхность области синусового узла изолированного сердца для детального картирования его электрической активности. В результате было установлено, что дисфункция синусового узла является следствием подавления ключевых белков, отвечающих за электрическую активность, и что воспаление служит одним из основных драйверов этого процесса.

Данное исследование показывает, применение гибких массивов электродов является необходимым условием для точного картирования сложных анатомических структур сердца, что в свою очередь позволяет напрямую связать молекулярные изменения с нарушениями электрофизиологической функции тканей сердца.

Рисунок 4 – A – расположение электродов на поверхности синусового узла; B – карты активности синусового узла

Система оптического картирования

Для применения системы оптического картирования OMS требуется обеспечить перфузию сердца по Лангендорфу, что также может быть выполнено с помощью комплекса оборудования MappingLab. При перфузии должны применяться флуоресцентные красители, чувствительные к ионам кальция и электрическим потенциалам. Система OMS состоит из узла оптического возбуждения и узла регистрации сигнала флуоресценции. Визуализация с высоким пространственным и временным разрешением осуществляется независимо для двух каналов для одновременной регистрации флуоресцентных сигналов кальциевых транзиентов и мембранных потенциалов. 

Исследование #3: механизмы фибрилляции предсердий 

Целью исследования #3 было изучение механизмов повышенной предрасположенности к фибрилляции предсердий, развивающейся после операций на сердце (стерильный перикардит). Фокус исследования находился на роли интерлейкина-6 и нарушений кальциевого обмена. В ходе эксперимента на образцах сердца крысы индуцировалась аритмия с помощью электростимуляции (протокол S1S2). Система OMS применялась для анализа сердечной активности предсердий. Было показано, что система позволила зафиксировать индукцию фибрилляции, построить детальные карты активации, соответствующие различным ритмам, и, что наиболее важно, количественно выявить и измерить изменения кальциевых транзиентов — ключевой фактор нестабильности, ведущий к фибрилляции предсердий. 

Полученные результаты подтвердили, что воспаление, опосредованное интерлейкином-6, вызывает нарушения обмена кальция, что приводит к повышенной восприимчивости к фибрилляции предсердий после операций, а оптическое картирование предоставило решающие визуальные и количественные доказательства этой связи. 

Исследование #4: аритмогенез в стареющем сердце

Исследование #4 посвящено изучению электрофизиологических механизмов повышенной восприимчивости стареющего сердца к жизнеугрожающим желудочковым аритмиям. Для этого через изолированные сердца животных разного возраста прокачивался специальный потенциал-чувствительный краситель RH237. Система OMS регистрировала оптический сигнал, соответствующий потенциалу действия. Затем в испытуемых образцах индуцировали аритмии посредством программированной электрической стимуляции. 

В результате было продемонстрировано, что сердца старых животных значительно чаще подвержены индуцированной желудочковой тахикардии и фибрилляции, а также изменениям в проводимости и реполяризации, особенно выраженным под действием адренергического стресса (изопротеренол). Таким образом, применение системы OMS позволило проиллюстрировать, что старение сердца сопровождается глубокими изменениями в электрофизиологии, усиливающими предрасположенность к аритмиям.

Рисунок 7 – Влияние возраста сердца на аритмогенез

Дальнейшее развитие

Компания MappingLab продолжает активно развивать свою линейку методов кардиологических и электрофизиологических исследований. Новейшая система кальциево-контрактильного картирования MappingLab позволяет изучать фундаментальный механизм работы сердца — электро-механическое сопряжение — в реальном времени на клеточном и тканевом уровнях. Принцип действия системы основан на синхронной высокоскоростной оптической регистрации двух процессов в кардиомиоцитах: изменения внутриклеточной концентрации кальция и механического сокращения клетки.

Заключение

Методы электрического и оптического картирования сердца от компании MappingLab доказали свою высокую эффективность в современных кардиофизиологических исследованиях. Они позволяют с высочайшей точностью анализировать распространение электрических импульсов, кальциевые транзиенты и механику сокращения, обеспечивая беспрецедентное пространственное и временное разрешение. 

Рассмотренные примеры демонстрируют широкий спектр применений — от оценки биоматериалов для восстановления миокарда до изучения механизмов аритмий. Эти системы предоставляют не только количественные данные, но и визуализируют ключевые электрофизиологические процессы, являясь важным элементом перевода научных открытий в клиническую практику для разработки новых стратегий диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

Компания INSCIENCE — поставщик решений MappingLab. Отправить заявку можно здесь или на почту info@inscience.ru

Источники

Исследование #1: Wang L. et al. Injectable and conductive cardiac patches repair infarcted myocardium in rats and minipigs //Nature Biomedical Engineering. – 2021. – Т. 5. – №. 10. – С. 1157-1173. 

Исследование #2: Kahnert K. et al. Proteomics couples electrical remodelling to inflammation in a murine model of heart failure with sinus node dysfunction //Cardiovascular research. – 2024. – Т. 120. – №. 8. – С. 927-942. 

Исследование #3: Liao J. et al. Interleukin-6-mediated-Ca2+ handling abnormalities contributes to atrial fibrillation in sterile pericarditis rats //Frontiers in Immunology. – 2021. – Т. 12. – С. 758157. 

Исследование #4: Zou S. et al. Inhibitory G-protein–mediated modulation of slow delayed rectifier potassium channels contributes to increased susceptibility to arrhythmogenesis in aging heart //Heart rhythm. – 2021. – Т. 18. – №. 12. – С. 2197-2209.