Name: advanced cardiac rhythm management by applying optogenetic multi-site photostimulation in murine hearts
Uploaded: 2021-08-26T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advanced Cardiac Rhythm Management by Applying Optogenetic Multi-Site Photostimulation in Murine Hearts at JoVE.com

Forfatterne vil gerne takke Marion Kunze og Tina Althaus for deres fremragende tekniske support under eksperimenter. Den forskning, der har ført til resultaterne, har modtaget støtte fra Det Europæiske Fællesskabs syvende rammeprogram FP7/2007-2013 under tilskudsaftale nummer HEALTH-F2-2009-241526. Der blev også ydet støtte fra det tyske center for kardiovaskulær forskning, DZHK e.V. (projekt MD28), partnersiden Goettingen, den tyske forskningsfond CRC 1002 (projekt C03) og Max Planck Society. Dette arbejde blev delvist støttet af BrainLinks-BrainTools, Cluster of Excellence finansieret af den tyske forskningsfond (DFG, bevillingsnummer EXC 1086).

Alle forsøg fulgte nøje dyrevelfærdsforordningen i overensstemmelse med tysk lovgivning, lokale bestemmelser og i overensstemmelse med anbefalinger fra Federation of European Laboratory Animal Science Associations (FELASA). Ansøgningen om godkendelse af dyreforsøg er godkendt af den ansvarlige dyrevelfærdsmyndighed, og alle forsøg blev rapporteret til vores dyrevelfærdsrepræsentanter.
1. Eksperimentforberedelse og materialer
<ol><li>Opsætning af optisk kortlægning BEMÆRK: Den ...

<ol>
	<li>Davidenko, J. M., Pertsov, A. V., Salamonsz, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stationary+and+drifting+spiral+waves+of+excitation+in+isolated+cardiac+muscle.">Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle.</a> Nature. 355, 349-351 (1992).</li><li>Fenton, F. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Termination+of+atrial+fibrillation+using+pulsed+low-energy+far-field+stimulation.">Termination of atrial fibrillation using pulsed low-energy far-field stimulation.</a> Circulation. 120 (6), 467-476 (2009).</li><li>Luther, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-energy+control+of+electrical+turbulence+in+the+heart.">Low-energy control of electrical turbulence in the heart.</a> Nature. 475, 235-239 (2011).</li><li>Pumir, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wave+emission+from+heterogeneities+opens+a+way+to+controlling+chaos+in+the+heart.">Wave emission from heterogeneities opens a way to controlling chaos in the heart.</a> Physical Review Letters. 99, 208101 (2007).</li><li>Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetics.">Optogenetics.</a> Nature Methods. 8, 26-29 (2011).</li><li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond-timescale,+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity.">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nature Neuroscience. 8, 1263-1268 (2005).</li><li>Nagel, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channelrhodopsin-2,+a+directly+light-gated+cation-selective+membrane+channel.">Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (24), 13940-13945 (2003).</li><li>Bruegmann, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+control+of+heart+muscle+in+vitro+and+in+vivo.">Optogenetic control of heart muscle in vitro and in vivo.</a> Nature Methods. 7, 897-900 (2010).</li><li>Natasha, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=et+al.Channelrhodopsins:+visual+regeneration+and+neural+activation+by+a+light+switch.">et al.Channelrhodopsins: visual regeneration and neural activation by a light switch.</a> New Biotechnology. 30 (5), 461-474 (2013).</li><li>Zhang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multimodal+fast+optical+interrogation+of+neural+circuitry.">Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry.</a> Nature. 446, 633-639 (2007).</li><li>Alilain, W. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-induced+rescue+of+breathing+after+spinal+cord+injury.">Light-induced rescue of breathing after spinal cord injury.</a> Journal of Neuroscience. 28 (46), 11862-11870 (2008).</li><li>Ahmad, A., Ashraf, S., Komai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetics+applications+for+treating+spinal+cord+injury.">Optogenetics applications for treating spinal cord injury.</a> Asian Spine Journal. 9 (2), 299-305 (2015).</li><li>Dieter, A., Keppeler, D., Moser, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+the+optical+cochlear+implant:+Optogenetic+approaches+for+hearing+restoration.">Towards the optical cochlear implant: Optogenetic approaches for hearing restoration.</a> EMBO Molecular Medicine. 12 (4), e11618 (2020).</li><li>Keppeler, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multichannel+optogenetic+stimulation+of+the+auditory+pathway+using+microfabricated+LED+cochlear+implants+in+rodents.">Multichannel optogenetic stimulation of the auditory pathway using microfabricated LED cochlear implants in rodents.</a> Science Translational Medicine. 12 (553), eabb8086 (2020).</li><li>Verhoefen, M. K., Bamann, C., Bl&#246;cher, R., F&#246;rster, U., Bamberg, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+photocycle+of+channelrhodopsin-2:+ultrafast+reaction+dynamics+and+subsequent+reaction+steps.">The photocycle of channelrhodopsin-2: ultrafast reaction dynamics and subsequent reaction steps.</a> ChemPhysChem. 11 (14), 3113-3122 (2010).</li><li>Schwaerzle, M., Elmlinger, P., Paul, O., Ruther, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniaturized+tool+for+optogenetics+based+on+an+LED+and+an+optical+fiber+interfaced+by+a+silicon+housing.">Miniaturized tool for optogenetics based on an LED and an optical fiber interfaced by a silicon housing.</a> , 5252-5255 (2014).</li><li>Schwaerzle, M., Elmlinger, P., Paul, O., Ruther, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniaturized+3+x+3+optical+fiber+array+for+optogenetics+with+integrated+460+nm+light+sources+and+flexible+electrical+interconnection.">Miniaturized 3 x 3 optical fiber array for optogenetics with integrated 460 nm light sources and flexible electrical interconnection.</a> , 162-165 (2015).</li><li>Diaz-Maue, L., Schwaerzle, M., Ruther, P., Luther, S., Richter, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Follow+the+light+-+From+low-energy+defibrillation+to+multi-site+photostimulation.">Follow the light - From low-energy defibrillation to multi-site photostimulation.</a> , 4832-4835 (2018).</li><li>Zgierski-Johnston, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+pacing+using+transmural+multi-LED+probes+in+channelrhodopsin-expressing+mouse+hearts.">Cardiac pacing using transmural multi-LED probes in channelrhodopsin-expressing mouse hearts.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. , 51-61 (2020).</li><li>. mouser.de, LED Engin, [Online] Available from: <a target="_blank" href="https://www.mouser.de/datasheet/2/228/5412893-LED_2520Engin_Datasheet_LuxiGen_LZ4-00B208">https://www.mouser.de/datasheet/2/228/5412893-LED_2520Engin_Datasheet_LuxiGen_LZ4-00B208</a> (2020)</li><li>. thorlabs.com, thorlabs, [Online] Available from: <a target="_blank" href="https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=25135-S01.pdf&amp;partNumber=M625L3">https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=25135-S01.pdf&amp;partNumber=M625L3</a> (2020)</li><li>Bruegmann, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+defibrillation+terminates+ventricular+arrhythmia+in+mouse+hearts+and+human+simulations.">Optogenetic defibrillation terminates ventricular arrhythmia in mouse hearts and human simulations.</a> Journal of Clinical Investigation. 126 (10), 3894-3904 (2016).</li><li>Richter, C., Christoph, J., Lehnart, S. E., Luther, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+light+crafting+tools+for+the+control+of+cardiac+arrhythmias.">Optogenetic light crafting tools for the control of cardiac arrhythmias.</a> Methods in Molecular Biology. 1408, 293-302 (2016).</li><li>Qui&#241;onez Uribe, R. A., Luther, S., Diaz-Maue, L., Richter, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy-reduced+arrhythmia+termination+using+global+photostimulation+in+optogenetic+murine+hearts.">Energy-reduced arrhythmia termination using global photostimulation in optogenetic murine hearts.</a> Frontiers in Physiology. 9 (1651), (2018).</li><li>Moreno, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=LED+irradiance+pattern+at+short+distances.">LED irradiance pattern at short distances.</a> Applied Optics. 59 (1), 190-195 (2020).</li><li>Behrend, A., Bittihn, P., Luther, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+unpinning+success+rates+for+a+pinned+spiral+in+an+excitable+medium.">Predicting unpinning success rates for a pinned spiral in an excitable medium.</a> , 345-348 (2010).</li><li>Kappadan, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+optical+measurement+of+cardiac+restitution,+contraction,+and+fibrillation+dynamics+in+beating+vs.+blebbistatin-uncoupled+isolated+rabbit+hearts.">High-resolution optical measurement of cardiac restitution, contraction, and fibrillation dynamics in beating vs. blebbistatin-uncoupled isolated rabbit hearts.</a> Frontiers in Physiology. 11 (464), (2020).</li><li>Christoph, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromechanical+vortex+filaments+during+cardiac+fibrillation.">Electromechanical vortex filaments during cardiac fibrillation.</a> Nature. 555, 667-672 (2018).</li><li>O'Shea, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+optogenetics+and+optical+mapping+-+Overcoming+spectral+congestion+in+all-optical+cardiac+electrophysiology.">Cardiac optogenetics and optical mapping - Overcoming spectral congestion in all-optical cardiac electrophysiology.</a> Frontiers in Physiology. 10 (182), (2019).</li><li>Aras, K. K., Faye, N. R., Cathey, B., Efimov, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+volume+of+human+myocardium+necessary+to+maintain+ventricular+fibrillation.">Critical volume of human myocardium necessary to maintain ventricular fibrillation.</a> Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 11 (11), e006692 (2018).</li><li>Trayanova, N., Doshi, A. N., Prakosa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+personalized+heart+modeling+can+help+treatment+of+lethal+arrhythmias:+A+focus+on+ventricular+tachycardia+ablation+strategies+in+post-infarction+patients.">How personalized heart modeling can help treatment of lethal arrhythmias: A focus on ventricular tachycardia ablation strategies in post-infarction patients.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews in System Biology and Medicine. 12 (3), 1477 (2020).</li><li>Bingen, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-induced+termination+of+spiral+wave+arrhythmias+by+optogenetic+engineering+of+atrial+cardiomyocytes.">Light-induced termination of spiral wave arrhythmias by optogenetic engineering of atrial cardiomyocytes.</a> Cardiovascular Research. 104 (1), 194-205 (2014).</li><li>Burton, R. A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+control+of+excitation+waves+in+cardiac+tissue.">Optical control of excitation waves in cardiac tissue.</a> Nature Photonics. 9 (12), 813-816 (2015).</li><li>Dura, M., Schr&#246;der-Schetelig, J., Luther, S., Lehnart, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+panoramic+in+situ+mapping+of+action+potential+propagation+in+transgenic+hearts+to+investigate+initiation+and+therapeutic+control+of+arrhythmias.">Toward panoramic in situ mapping of action potential propagation in transgenic hearts to investigate initiation and therapeutic control of arrhythmias.</a> Frontiers in Physiology. 5, 337 (2014).</li><li>Crocini, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetics+design+of+mechanistically-based+stimulation+patterns+for+cardiac+defibrillation.">Optogenetics design of mechanistically-based stimulation patterns for cardiac defibrillation.</a> Science Reports. 6 (35628), (2016).</li><li>Nyns, E. C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetic+termination+of+ventricular+arrhythmias+in+the+whole+heart:+towards+biological+cardiac+rhythm+management.">Optogenetic termination of ventricular arrhythmias in the whole heart: towards biological cardiac rhythm management.</a> European Heart Journal. 38 (27), 2132-2136 (2017).</li><li>Wilde, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=K+atp+channel+opening+and+arrhythmogenesis.">K+atp channel opening and arrhythmogenesis.</a> Journal of Cardiovascular Pharmacology. 24 (4), 35-40 (1994).</li><li>Christoph, J., Luther, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marker-free+tracking+for+motion+artifact+compensation+and+deformation+measurements+in+optical+mapping+videos+of+contracting+hearts.">Marker-free tracking for motion artifact compensation and deformation measurements in optical mapping videos of contracting hearts.</a> Frontiers in Physiology. 9 (1483), (2018).</li><li>Christoph, J., Schr&#246;der-Schetelig, J., Luther, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromechanical+optical+mapping.">Electromechanical optical mapping.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. 130(B), 150-169 (2017).</li></ol>

En vellykket behandling af hjertetakyarytmier er nøglen til hjerteterapi. Imidlertid er de biofysiske mekanismer, der ligger til grund for arytmiinitiering, fortsættelse og afslutning, ikke fuldt ud forstået. Derfor sigter hjerteforskning mod at optimere elektrisk stødterapi mod en mere skånsom afslutning af arytmier og derved øge patienternes livskvalitet 28,29,30,31. Lavenergi elektrisk...

Tidlige undersøgelser af den rumlige-temporale dynamik under arytmi afslørede, at de komplekse elektriske mønstre under hjerteflimmer drives af hvirvellignende roterende excitationsbølger1. Dette fund gav ny indsigt i de underliggende mekanismer for arytmier, som derefter førte til udviklingen af nye elektriske termineringsterapier baseret på multi-site excitation af myokardiet 2,3,4. Imidlertid er behandlinger ved hjælp af elektrisk feltstimulering ikke-lokale og kan innervere alle omgivende excitable celler, herunder muskelvæv, hvilket forårsager cellulær og vævsskade samt uacceptabel smerte. I modsætning til elektriske terapier giver optogenetiske tilgange en specifik og vævsbeskyttende teknik til fremkaldelse af kardiomyocythandlingspotentialer med høj rumlig og tidsmæssig præcision. Derfor har optogenetisk stimulering potentialet for minimal invasiv kontrol af de kaotiske aktiveringsmønstre under hjerteflimmer.
Introduktionen af den lysfølsomme ionkanal channelrhodopsin-2 (ChR2) i excitable celler via genetisk manipulation 5,6,7 muliggjorde depolarisering af membranpotentialet i excitable celler ved hjælp af fotostimulation. Flere medicinske anvendelser, herunder aktivering af neuronale netværk, kontrol af hjerteaktivitet, genoprettelse af syn og hørelse, behandling af rygmarvsskader og andre 8,9,10,11,12,13,14 er blevet udviklet. Anvendelsen af ChR2 i kardiologi har et betydeligt potentiale på grund af dets millisekunders responstid15, hvilket gør det velegnet til målrettet kontrol af arytmisk hjertedynamik.
I denne undersøgelse vises multi-site fotostimulation af intakte hjerter af en transgen musemodel. Sammenfattende blev der oprettet en transgen alfa-MHC-ChR2-muselinje inden for rammerne af Det Europæiske Fællesskabs syvende rammeprogram FP7/2007-2013 (HEALTH-F2-2009-241526) og venligst leveret af prof. S. E. Lehnart. Generelt blev transgene voksne hanner C57/B6/J, der udtrykker Cre-rekombinase under kontrol af alfa-MHC, parret med at parre sig med hunnen B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdTomato)Hye/J. Da hjertets STOP-kassette blev slettet i anden generation, viste afkomene et stabilt MHC-ChR2-udtryk og blev brugt til at opretholde hjertelysfølsomme kolonier. Alle forsøg blev udført med voksne mus af begge køn i en alder af 36 - 48 uger. Belysningen opnås ved hjælp af et 3 x 3 mikro-LED-array, fremstillet som beskrevet i16,17, bortset fra at det siliciumbaserede hus og de korte optiske glasfibre ikke er implementeret. Dens første anvendelse i en hjerteapplikation findes i18. Et lineært mikro-LED-array baseret på en lignende fabrikationsteknologi er blevet anvendt som en penetrerende sonde til hjertetempo19. Mikro-LED'erne er arrangeret i et 3 x 3 array med en stigning på 550 μm, hvilket giver både en høj rumlig opløsning og en høj strålingseffekt på et meget lille område. Forfatterne demonstrerer i dette arbejde en alsidig lokal multi-site fotostimulation, der kan åbne vejen for udvikling af nye anti-arytmiske terapimetoder.
Følgende forsøgsprotokol involverer en retrograd Langendorff perfusion ex vivo, for hvilken den kannelerede aorta fungerer som perfusionsindløb. På grund af det påførte perfusionstryk og hjertekontraktionen strømmer perfusatet gennem koronararterierne, som forgrener sig fra aorta. I det præsenterede arbejde perfunderes hjertet ved hjælp af en konstant trykopsætning opnået ved at hæve perfusatreservoirerne til 1 m højde, svarende til 73,2 mmHg, hvilket giver en strømningshastighed på 2,633 ± 0,583 ml / min. To slags Tyrodes opløsning anvendes som perfusat under eksperimentet. Regelmæssig tyrodes opløsning understøtter en stabil sinusrytme, mens Low-K + Tyrodes opløsning blandes med Pinacidil for at muliggøre induktion af arytmi i murinhjerter. Brugen af et sekskantet vandbad tillader observation af hjertet gennem seks forskellige plane vinduer, hvilket muliggør kobling af flere optiske komponenter med mindre forvrængning ved brydning.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chemical Components</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blebbistatin</td>
			<td>TargetMol</td>
			<td>T6038</td>
			<td>10 mM stock solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BSA/Albumin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A4919</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcium Chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C1016</td>
			<td>CaCl2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbogen</td>
			<td>Westfalen</td>
			<td></td>
			<td>50 l bottle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DI-4-ANBDQPQ</td>
			<td>AAT Bioquest</td>
			<td>21499</td>
			<td>Dye for Optical Mapping</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glucose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D9434</td>
			<td>C6H12O6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heparin</td>
			<td>LEO Pharma</td>
			<td></td>
			<td>Heparin-Natrium Leo 25.000 I.E./5 ml, available only on prescription</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochlorid Acid</td>
			<td>Merck</td>
			<td>1.09057.1000</td>
			<td>HCl, 1 M stock solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>CP Pharma</td>
			<td></td>
			<td>1 ml/ml, available only on prescription</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium Chloride</td>
			<td>Merck</td>
			<td>8.14733.0500</td>
			<td>MgCl2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monopotassium Phosphate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>30407</td>
			<td>KH2PO4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pinacidil monohydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P154-500mg</td>
			<td>10 mM stock solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P5405</td>
			<td>KCl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Bicarbonate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S5761</td>
			<td>NaHCO3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S5886</td>
			<td>NaCl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide</td>
			<td>Merck</td>
			<td>1.09137.1000</td>
			<td>NaOH, 1 M stock solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical Setup</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biopac MP150</td>
			<td>Biopac Systems</td>
			<td>MP150WSW</td>
			<td>data acquisition and analysis system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom-built ECG, alternative ECG100C</td>
			<td>Biopac Systems</td>
			<td>ECG100C</td>
			<td>Electrocardiogram Amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom-built water bath heater using heating cable</td>
			<td>RMS Heating System</td>
			<td>HK-5,0-12</td>
			<td>Heating cable 120W</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexagonal water bath</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED Driver Power supply</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>KPS101</td>
			<td>15 V, 2.4 A Power Supply Unit with 3.5 mm Jack Connector for One K- or T-Cube.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LEDD1B LED Driver</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LEDD1B</td>
			<td>T-Cube LED Driver, 1200 mA Max Drive Current</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MAP, ECG Electrode</td>
			<td>Hugo Sachs Elektronik</td>
			<td>BS4&#160;73-0200</td>
			<td>Mini-ECG Electrode for isoalted hearts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>micro-LED Driver e.g. AFG</td>
			<td>Agilent Instruments</td>
			<td>A-2230</td>
			<td>Arbitrary function generator (AFG)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Signal Generator</td>
			<td>Agilent Instruments</td>
			<td>A-2230</td>
			<td>AFG</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>micro-LED Array Components</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxid glue</td>
			<td>Epoxy Technology</td>
			<td>EPO-TEK 353ND</td>
			<td>Two component epoxy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluoropolymer</td>
			<td>&#160;Asahi Glass Co. Ltd.</td>
			<td>Cytop 809M</td>
			<td>Fluoropolymer with high transparency</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image reversal photoresist</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td>AZ 5214E</td>
			<td>Image Reversal Resist for High Resolution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED chip</td>
			<td>&#160;Cree Inc.</td>
			<td>C460TR2227-S2100</td>
			<td>Blue micro-LED</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoresist</td>
			<td>Merck KGaA</td>
			<td>AZ 9260</td>
			<td>Thick Positive Photoresists</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyimide</td>
			<td>UBE Industries Ltd.</td>
			<td>U-Varnish S</td>
			<td>Polyimide Solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone</td>
			<td>NuSil Technology LLC</td>
			<td>MED-6215</td>
			<td>Low viscosity silicone elastomer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solvent free adhesive</td>
			<td>John P. Kummer GmbH</td>
			<td>Epo-Tek 301-2</td>
			<td>Epoxy resin with low viscosity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Mapping</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue Filter</td>
			<td>Chroma Technology Corporation</td>
			<td>ET470/40x</td>
			<td>Blue excitation filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>Photometrics</td>
			<td>Cascade 128+</td>
			<td>High performance EMCCD Camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera Objective</td>
			<td>Navitar</td>
			<td>DO-5095</td>
			<td>Navitar high speed fixed focal length lenses work with CCD and CMOS cameras</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichroic Mirror</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF685-Di02-25x36</td>
			<td>685 nm edge BrightLine&#174; single-edge standard epi-fluorescence dichroic beamsplitter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Emmision Filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-775/140-25</td>
			<td>775/140 nm BrightLine&#174; single-band bandpass filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heatsink</td>
			<td>Advanced Thermal Solutions</td>
			<td>ATSEU-077A-C3-R0</td>
			<td>Heat Sinks - LED STAR LED Heatsink, 45mm dia., 68mm, Black/Silver, Unthreaded Baseplate Hardware</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED 1 and LED 2</td>
			<td>LED Engin Osram</td>
			<td>LZ4-00B208</td>
			<td>High Power LEDs - Single Colour Blue, 460 nm 130 lm, 700mA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED 3</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>M625L3</td>
			<td>625 nm, 700 mW (Min) Mounted LED, 1000 mA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lenses</td>
			<td>LED Engin Osram</td>
			<td>LLNF-2T06-H</td>
			<td>LED Lighting Lenses Assemblies LZ4 LENS NARROW FLOOD BEAM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode for power meter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>S120VC</td>
			<td>Standard Photodiode Power Sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Meter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PM100D</td>
			<td>Compact Power and Energy Meter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Red Filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF02-628/40-25</td>
			<td>BrightLine&#174; single-band bandpass filter</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

advanced cardiac rhythm management by applying optogenetic multi-site photostimulation in murine hearts

Ventrikulær takyarytmier er en væsentlig årsag til dødelighed og sygelighed over hele verden. Elektrisk defibrillering ved hjælp af elektriske stød med høj energi er i øjeblikket den eneste behandling for livstruende ventrikelflimmer. Defibrillering kan dog have bivirkninger, herunder utålelig smerte, vævsskade og forværring af prognosen, hvilket indikerer et betydeligt medicinsk behov for udvikling af mere blide hjerterytmestyringsstrategier. Udover energireducerende elektriske tilgange blev hjerteoptogenetik introduceret som et kraftfuldt værktøj til at påvirke hjerteaktivitet ved hjælp af lysfølsomme membranionkanaler og lysimpulser. I denne undersøgelse vil en robust og gyldig metode til vellykket fotostimulation af Langendorff perfunderede intakte murinehjerter blive beskrevet baseret på multi-site pacing ved anvendelse af en 3 x 3 række mikrolysemitterende dioder (mikro-LED). Samtidig optisk kortlægning af epikardiale membranspændingsbølger gør det muligt at undersøge virkningerne af regionsspecifik stimulering og evaluerer den nyligt inducerede hjerteaktivitet direkte på stedet. De opnåede resultater viser, at effekten af defibrillering er stærkt afhængig af de parametre, der er valgt til fotostimulation under en hjertearytmi. Det vil blive demonstreret, at det belyste område af hjertet spiller en afgørende rolle for afslutning succes samt hvordan den målrettede kontrol af hjerteaktivitet under belysning til ændring af arytmi mønstre kan opnås. Sammenfattende giver denne teknik mulighed for at optimere mekanismemanipulationen på stedet på vej til realtidsfeedbackkontrol af hjerterytmen og, hvad angår regionens specificitet, nye tilgange til at reducere den potentielle skade på hjertesystemet sammenlignet med brugen af ikke-specifikke elektriske stødapplikationer.

Protokollen tillader induktion af ventrikulære arytmier i intakte murinehjerter ved hjælp af fotostimulationsimpulser genereret af LED 1 og LED 2 (figur 1) med en frekvens f ind mellem 25 Hz og 35 Hz og en pulsvarighed Wind mellem 2 ms og 10 ms. Bemærk, at formålet med sådanne hurtige lysimpulser ikke er at fange hjerterytmen, men snarere at afbalancere hjerteaktiviteten, så uberegnelige elektriske bølger kan genereres, som derefter letter en arytmi. Fordelen ved...

Watch this Scientific Journal Video about Advanced Cardiac Rhythm Management by Applying Optogenetic Multi-Site Photostimulation in Murine Hearts at JoVE.com

Advanced Cardiac Rhythm Management by Applying Optogenetic Multi-Site Photostimulation in Murine Hearts

Dette arbejde rapporterer en metode til styring af hjerterytmen hos intakte murinhjerter hos transgene channelrhodopsin-2 (ChR2) mus ved hjælp af lokal fotostimulation med et mikro-LED-array og samtidig optisk kortlægning af epikardiemembranpotentiale.

Avanceret hjerterytmestyring ved anvendelse af optogenetisk multi-site fotostimulation i Murine Hearts

Ventricular tachyarrhythmias are a major cause of mortality and morbidity worldwide. Electrical defibrillation using high-energy electric shocks is ...

Den fysisk mest underliggende hjerteflimmer og defibrillering forbliver ikke helt forstået. Optogenetik kan tilbyde en måde at få mere indsigt i hjertefænomener i et velkontrolleret miljø. Lokal lysstimulering ved hjælp af mikro-LED'er tillader innovation af specifikke hjertevævsområder.Denne målrettede stimulering er et nyt værktøj til at udvikle hjerteblide anti-aritmetiske terapimetoder. Den viste protokol kan bruges til at studere hjerteadfærd under hjertearytmi og især under afslutning. I prospektiv kan de udviklede teknikker bruges til at studere mere klinisk relevante modeller for store dyr.Før hvert eksperiment skal du rengøre alle rør med fuldt afmineraliseret vand. Luft skjoldbruskkirtelopløsninger med carbogen i 30 minutter ved stuetemperatur og juster pH til 7,3 med natriumhydroxid og saltsyre. Opvarm perfusionssystemet til 37 grader Celsius med en vandvarmepumpe.Hold perfusattemperaturen konstant i vandbadet ved hjælp af et ekstra varmeelement såsom et vandtæt varmekabel. Tilsæt 500 ml af hver skjoldbruskkirtelopløsning til det tilsvarende reservoir og afluftning af rørene såvel som boblefælden ved at køre skjoldbruskkirtelopløsning gennem perfusionssystemet, indtil der ikke ses flere fangede luftbobler i rørene eller i boblefælden. Fortsæt med at lufte skjoldbruskkirtelopløsningerne under hele eksperimentet i reservoirerne med carbogen for at sikre, at perfusatets pH forbliver stabil senere under perfusion.Efter fjernelse af hjertet skal du udføre det fine præparat under et stereoskopisk mikroskop. Fastgør aorta på den stumpe nål og fastgør beholderen med suturmateriale. Som en kontrol skal du injicere iskold skjoldbruskkirtelopløsning gennem nålen i hjertet og kontrollere, at hjertet er tæt monteret.Overfør det monterede hjerte til perfusionssystemet, og sørg for, at perfusatet flyder for at forhindre luft i at komme ind i hjertet, mens nålen forbindes med boblefælden. Kontroller, at hjertet er dækket af skjoldbruskkirtelopløsning i vandbadet, og at det slår inden for få minutter. Placer en af EKG-elektroderne så tæt som muligt på hjerteoverfladen for at sikre god signalkvalitet.Suspender den anden EKG-elektrode i skjoldbruskkirtelopløsningen, og sørg for, at EKG registreres. Placer mikro-LED-arrayet på interesseområdet. Skift perfusion til lav kalium skjoldbruskkirtlen med penecid og gennemgå hjertet i 15 til 30 minutter.For at inducere arytmi skal du belyse hjertet med LED en og LED to med et tog på 20 til 50 lysimpulser med en frekvens på 25 til 35 hertz, pulsvarighed på to til 15 millisekunder og lysintensitet på 2,8 milli watt pr. Kvadratmillimeter. Gentag processen, indtil arytmi er induceret. Når en vedvarende arytmi er visuelt detekteret, skal du anvende en udbrud af impulser med forskellige bredder og frekvenser ved hjælp af tre, seks eller ni mikro-LED'er i arrayet ved en pulserende strøm på 15 milliamp piers.Hvis arytmi fortsætter efter fem mikro-LED-array-baserede defibrilleringsforsøg, klassificer forsøget som mislykket og start backup-defibrillering ved hjælp af LED et og LED to med samme timingparametre. Perfuse hjertet med blebbistatinopløsningen og vent, indtil mekanisk afkobling opstår, hvilket opnås, når hjertet holder op med at slå, men et EKG-signal er stadig målbart. Giv en milliliter spændingsfarvestof, farvestof 4-A-N-B-D-Q-P-Q som en bolus i boblefælden i Langendorff-perfusionen, og vent i fem til 10 minutter for at lade farvestoffet gennemgå hjertet ensartet.Tænd LED tre. Fokuser kameraet på hjertets overflade, og påfør 1,27 milli watt pr. kvadratmillimeter optisk effekt. Sluk laboratorielysene og start optagelsen, og sørg for, at der opnås et optisk signal ved at sammenligne frekvensen af det opnåede signal med frekvensen af det optagede EKG.En række eksperimenter med forskellige frekvenser, antal mikro-LED og pulsvarigheder blev testet for 11 mus, hvilket viste, at impulser på 1 til 20 millisekunder kan defibrillere med forskellige succesrater. Der er en signifikant stigning i succesraten for de ni lysdioder med pulsvarigheder på et millisekund og 20 millisekunder ved en defibrilleringsfrekvens på 18 og 20 hertz, hvilket er tættere på den analyserede gennemsnitlige arytmifrekvens på 22,55 af alle arytmier med et fejlinterval på plus eller minus fire punkt nul tre hertz. To forskellige defibrilleringsforsøg med 14 hertzfrekvens med deres EKG-optagelser og deres respektive spektrogrammer vises her.I et eksempel på defibrillering med 30 millisekundimpulser øges den dominerende frekvens af arytmi lidt, indtil fotostimulering begynder. VF omdannes til en VT, hvor den dominerende frekvens falder til 14 hertz efterfulgt af mislykket afslutning og tilbagevenden til arytmisk adfærd med en dominerende frekvens på 24 hertz. I det andet eksempel viser segment et en VT med dominerende frekvens på 23 hertz, og det er harmoniske komponenter, indtil fotostimulering begynder, med en pulsbredde på 20 millisekunder.Segment tre viser en vellykket afslutning, der fører til en normal sinusrytme med en grundlæggende frekvens på 3,5 hertz og de resulterende harmoniske. Optisk kortlægning med højhastighedskameraer viste en ændring af fluorescensintensitet under et enkelt hjerteslag under en normal sinusrytme. Længden af perfusion skal opretholde alle forhold for at holde hjertet sundt, nemlig temperaturen, pH-værdien og oxidationen skal forblive konstant.Det er især vigtigt, at tyroidopløsningen ikke løber tom, da luftbobler i systemet kan skade hjertet. Micro reality array tilbyder stor fleksibilitet. Du kan målrette mod forskellige steder i hjertet eller endda kombinere flere arrays i et eksperiment for korrekt at afslutte arytmi.

Research

JoVE Journal

Medicine

Assessment of Cardiac Function and Energetics in Isolated Mouse Hearts Using 31P NMR Spectroscopy

Assessment of Cardiac Function and Energetics in Isolated Mouse Hearts Using 31P NMR Spectroscopy

Bioengineered mouse models have become powerful research tools in determining causal relationships between molecular alterations and models of ...

Cardiac Stress Test Induced by Dobutamine and Monitored by Cardiac Catheterization in Mice

Cardiac Stress Test induceret af Dobutamin og overvåges af hjertekateterisation i mus

Dobutamine is a &beta;-adrenergic agonist with an affinity higher for receptor expressed in the heart (&beta;1) than for receptors expressed in the ...

Direct Pressure Monitoring Accurately Predicts Pulmonary Vein Occlusion During Cryoballoon Ablation

Direkte trykmålekomponenter nøjagtigt Forudsiger lungevene okklusion under Cryoballoon Ablation

Cryoballoon  ablation (CBA) is an established therapy for atrial fibrillation (AF).  Pulmonary vein (PV) occlusion is essential for achieving antral ...

Intramyocardial Cell Delivery: Observations in Murine Hearts

Intramyocardial Cell Levering: Observationer i murine Hjerter

Previous studies showed that cell delivery promotes cardiac function amelioration by release of cytokines and factors that increase cardiac tissue ...

EEG Mu Rhythm in Typical and Atypical Development

EEG Mu Rhythm i Typisk og atypisk udvikling

Electroencephalography (EEG) is an effective, efficient, and noninvasive method of assessing and recording brain activity. Given the excellent temporal ...

Induction and Assessment of Ischemia-reperfusion Injury in Langendorff-perfused Rat Hearts

Induktion og vurdering af iskæmi-reperfusion skade i Langendorff-perfusionerede rottehjerter

The biochemical events surrounding ischemia reperfusion injury in the acute setting are of great importance to furthering novel treatment options for ...

A Model of Cardiac Remodeling Through Constriction of the Abdominal Aorta in Rats

En model af Cardiac Remodeling Gennem Sammensnøring af den abdominale aorta i rotter

Heart failure is one of the leading causes of death worldwide. It is a complex clinical syndromethat includes fatigue, dyspnea, exercise intolerance, and ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging at 7 Tesla

Hjerte Magnetic Resonance Imaging på 7 Tesla

CMR at an ultra-high field (magnetic field strength B0&#160;&#8805; 7 Tesla) benefits from the signal-to-noise ratio (SNR) advantage inherent at higher ...

Esophageal Heat Transfer for Patient Temperature Control and Targeted Temperature Management

Esophageal varmeoverførsel til patientens temperaturkontrol og målrettede temperatur styring

Controlling patient temperature is important for a wide variety of clinical conditions. Cooling to normal or below normal body temperature is often ...

Isolation and Purification of Murine Cardiac Pericytes

Isolering og rensning af murine hjerte Pericytes

Pericytes, perivascular cells of microvessels and capillaries, are known to play a part in angiogenesis, vessel stabilization, and endothelial barrier ...