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

De auteurs willen Marion Kunze en Tina Althaus bedanken voor hun uitstekende technische ondersteuning tijdens experimenten. Het onderzoek dat tot de resultaten heeft geleid, heeft financiering ontvangen van het zevende kaderprogramma van de Europese Gemeenschap FP7/2007-2013 onder subsidieovereenkomstnummer HEALTH-F2-2009-241526. Ondersteuning werd ook geboden door het Duitse Centrum voor Cardiovasculair Onderzoek, DZHK e.V. (Project MD28), partnersite Goettingen, de Duitse Onderzoeksstichting CRC 1002 (project C03) en de Max Planck Society. Dit werk werd mede ondersteund door BrainLinks-BrainTools, Cluster of Excellence gefinancierd door de Duitse Research Foundation (DFG, subsidienummer EXC 1086).

Alle experimenten volgden strikt de dierenwelzijnsverordening, in overeenstemming met de Duitse wetgeving, lokale bepalingen en in overeenstemming met de aanbevelingen van de Federatie van Europese Verenigingen voor Proefdierwetenschappen (FELASA). De aanvraag voor goedkeuring van dierproeven is goedgekeurd door de verantwoordelijke dierenwelzijnsautoriteit en alle experimenten zijn gerapporteerd aan onze vertegenwoordigers voor dierenwelzijn.
1. Experimenteervoorbereiding en materialen
<ol>...

<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>

Een succesvolle behandeling van cardiale tachyaritmieën is de sleutel tot harttherapie. De biofysische mechanismen die ten grondslag liggen aan aritmie-initiatie, -bestendiging en -beëindiging zijn echter niet volledig begrepen. Daarom is cardiaal onderzoek gericht op het optimaliseren van elektrische schoktherapie naar een zachtere beëindiging van aritmieën, waardoor de kwaliteit van leven van patiënten 28,29,30,31 wordt verhoogd.<sup class="xref...

Vroege onderzoeken van de ruimtelijk-temporele dynamiek tijdens aritmie onthulden dat de complexe elektrische patronen tijdens hartfibrilleren worden aangedreven door vortexachtige roterende excitatiegolven1. Deze bevinding gaf nieuwe inzichten in de onderliggende mechanismen van aritmieën, wat vervolgens leidde tot de ontwikkeling van nieuwe elektrische beëindigingstherapieën op basis van multi-site excitatie van het myocard 2,3,4. Behandelingen met behulp van elektrische veldstimulatie zijn echter niet-lokaal en kunnen alle omliggende prikkelbare cellen innerveren, inclusief spierweefsel, wat cellulaire en weefselschade veroorzaakt, evenals ondraaglijke pijn. In tegenstelling tot elektrische therapieën bieden optogenetische benaderingen een specifieke en weefselbeschermende techniek voor het oproepen van cardiomyocytenactiepotentialen met een hoge ruimtelijke en temporele precisie. Daarom heeft optogenetische stimulatie het potentieel voor minimale invasieve controle van de chaotische activeringspatronen tijdens hartfibrilleren.
De introductie van het lichtgevoelige ionkanaal channelrhodopsine-2 (ChR2) in prikkelbare cellen via genetische manipulatie 5,6,7, maakte de depolarisatie van het membraanpotentiaal van exciteerbare cellen mogelijk met behulp van fotostimulatie. Verschillende medische toepassingen, waaronder de activering van neuronale netwerken, de controle van hartactiviteit, het herstel van het gezichtsvermogen en het gehoor, de behandeling van ruggenmergletsels en andere 8,9,10,11,12,13,14 zijn ontwikkeld. De toepassing van ChR2 in de cardiologie heeft een aanzienlijk potentieel vanwege de milliseconde responstijd15, waardoor het zeer geschikt is voor de gerichte controle van aritmische hartdynamiek.
In deze studie wordt multi-site fotostimulatie van intacte harten van een transgeen muismodel getoond. Samenvattend werd een transgene alfa-MHC-ChR2-muislijn opgericht in het kader van het zevende kaderprogramma van de Europese Gemeenschap FP7/2007-2013 (HEALTH-F2-2009-241526) en vriendelijk verstrekt door prof. S. E. Lehnart. Over het algemeen werden transgene volwassen mannelijke C57/B6/J, die Cre-recombinase onder controle van alfa-MHC tot expressie brachten, gekoppeld om te paren met vrouwelijke B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdTomato)Hye/J. Omdat de cardiale STOP-cassette in de tweede generatie werd verwijderd, vertoonden de nakomelingen een stabiele MHC-ChR2-expressie en werden ze gebruikt om cardiale lichtgevoelige kolonies in stand te houden. Alle experimenten werden gedaan met volwassen muizen van beide geslachten op een leeftijd van 36 - 48 weken. De verlichting wordt bereikt met behulp van een 3 x 3 micro-LED-array, vervaardigd zoals beschreven in 16,17, behalve dat de op silicium gebaseerde behuizing en de korte optische glasvezels niet zijn geïmplementeerd. Het eerste gebruik in een cardiale toepassing wordt gevonden in18. Een lineaire micro-LED-array op basis van een vergelijkbare fabricagetechnologie is toegepast als een penetrerende sonde voor hartpacing19. De micro-LED's zijn gerangschikt in een 3 x 3 array met een pitch van 550 μm, wat zowel een hoge ruimtelijke resolutie als een hoog stralingsvermogen op een zeer klein gebied biedt. De auteurs demonstreren in dit werk een veelzijdige lokale multi-site fotostimulatie die het pad kan openen voor het ontwikkelen van nieuwe anti-aritmische therapiemethoden.
Het volgende experimentele protocol omvat een retrograde Langendorff-perfusie ex vivo, waarvoor de gecannuleerde aorta functioneert als perfusie-inlaat. Door de toegepaste perfusiedruk en de hartcontractie stroomt het perfusaat door de kransslagaders, die zich vertakken van de aorta. In het gepresenteerde werk wordt het hart doordrenkt met behulp van een constante drukopstelling die wordt bereikt door de perfusaatreservoirs te verhogen tot 1 m hoogte, wat overeenkomt met 73,2 mmHg, wat resulteert in een stroomsnelheid van 2,633 ± 0,583 ml / min. Twee soorten Tyrode's oplossing worden gebruikt als perfusaat tijdens het experiment. De oplossing van reguliere Tyrode ondersteunt een stabiel sinusritme, terwijl de oplossing van Low-K+ Tyrode wordt gemengd met Pinacidil om de inductie van aritmie in muizenharten mogelijk te maken. Het gebruik van een zeshoekig waterbad maakt de observatie van het hart door zes verschillende vlakke vensters mogelijk, waardoor de koppeling van verschillende optische componenten mogelijk is met minder vervorming door breking.

<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

Ventriculaire tachyaritmieën zijn wereldwijd een belangrijke oorzaak van mortaliteit en morbiditeit. Elektrische defibrillatie met behulp van hoogenergetische elektrische schokken is momenteel de enige behandeling voor levensbedreigende ventriculaire fibrillatie. Defibrillatie kan echter bijwerkingen hebben, waaronder ondraaglijke pijn, weefselschade en verslechtering van de prognose, wat wijst op een significante medische behoefte aan de ontwikkeling van zachtere strategieën voor het beheer van het hartritme. Naast energiereducerende elektrische benaderingen, werd cardiale optogenetica geïntroduceerd als een krachtig hulpmiddel om hartactiviteit te beïnvloeden met behulp van lichtgevoelige membraanionkanalen en lichtpulsen. In de huidige studie zal een robuuste en geldige methode voor succesvolle fotostimulatie van Langendorff doordrenkte intacte muizenharten worden beschreven op basis van multi-site pacing met een 3 x 3 array van micro-light-emitting diodes (micro-LED). Gelijktijdige optische mapping van epicardiale membraanspanningsgolven maakt het mogelijk om de effecten van regiospecifieke stimulatie te onderzoeken en evalueert de nieuw geïnduceerde hartactiviteit direct ter plaatse. De verkregen resultaten tonen aan dat de werkzaamheid van defibrillatie sterk afhankelijk is van de parameters die zijn gekozen voor fotostimulatie tijdens een hartritmestoornis. Er zal worden aangetoond dat het verlichte gebied van het hart een cruciale rol speelt voor het succes van beëindiging en hoe de gerichte controle van hartactiviteit tijdens verlichting voor het wijzigen van aritmiepatronen kan worden bereikt. Samenvattend biedt deze techniek de mogelijkheid om de manipulatie van het mechanisme ter plaatse te optimaliseren op weg naar real-time feedbackcontrole van het hartritme en, met betrekking tot de regiospecificiteit, nieuwe benaderingen om de potentiële schade aan het hartsysteem te verminderen in vergelijking met het gebruik van niet-specifieke elektrische schoktoepassingen.

Het protocol maakt de inductie van ventriculaire aritmieën in intacte muizenharten mogelijk met behulp van fotostimulatiepulsen gegenereerd door LED 1 en LED 2 (figuur 1) met eenfrequentie tussen 25 Hz en 35 Hz en een pulsduur Wind tussen 2 ms en 10 ms. Houd er rekening mee dat het doel van dergelijke snelle lichtpulsen niet is om het hartritme vast te leggen, maar eerder om de hartactiviteit uit balans te brengen, zodat grillige elektrische golven kunnen worden gegene...

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

Dit werk rapporteert een methode voor het regelen van het hartritme van intacte muizen van transgene channelrhodopsine-2 (ChR2) muizen met behulp van lokale fotostimulatie met een micro-LED-array en gelijktijdige optische mapping van epicardiale membraanpotentiaal.

Geavanceerd hartritmebeheer door toepassing van optogenetische multi-site fotostimulatie in muizenharten

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

De fysiek meest onderliggende hartfibrilleren en defibrillatie blijven niet volledig begrepen. Optogenetica kan een manier bieden om meer inzicht te krijgen in hartverschijnselen in een goed gecontroleerde omgeving. Lokale lichtstimulatie met behulp van micro-LED's maakt de innovatie van specifieke hartweefselgebieden mogelijk.Deze gerichte stimulatie is een nieuw hulpmiddel om hartvriendelijke anti-rekenkundige therapiemethoden te ontwikkelen. Het getoonde protocol kan worden gebruikt om hartgedrag tijdens hartritmestoornissen en vooral tijdens beëindiging te bestuderen. In prospectief kunnen de ontwikkelde technieken worden gebruikt om meer klinisch relevante grote diermodellen te bestuderen.Reinig voor elk experiment alle buizen met volledig gedemineraliseerd water. Belucht schildklieroplossingen met carbogen gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur en stel de pH in op 7,3 met natriumhydroxide en zoutzuur. Verwarm het perfusiesysteem tot 37 graden Celsius met een waterwarmtepomp.Houd de perfusaattemperatuur constant in het waterbad door een extra verwarmingselement te gebruiken, zoals een waterdichte verwarmingskabel. Voeg 500 milliliter van elke schildklieroplossing toe aan het overeenkomstige reservoir en ontlucht de buizen en de bellenvanger door de schildklieroplossing door het perfusiesysteem te laten lopen totdat er geen opgesloten luchtbellen meer worden gezien in de buizen of in de bellenval. Ga door met het beluchten van de schildklieroplossingen tijdens het hele experiment in de reservoirs met carbogen om ervoor te zorgen dat de pH van het perfusaat later tijdens de perfusie stabiel blijft.Na het verwijderen van het hart, voer de fijne voorbereiding uit onder een stereoscopische microscoop. Bevestig de aorta op de stompe naald en bevestig het vat met hechtmateriaal. Injecteer als controle ijskoude schildklieroplossing door de naald in het hart en controleer of het hart stevig is gemonteerd.Breng het gemonteerde hart over naar het perfusiesysteem en zorg ervoor dat het perfusaat stroomt om te voorkomen dat lucht het hart binnendringt terwijl de naald wordt verbonden met de bellenvanger. Controleer of het hart bedekt is met schildklieroplossing in het waterbad en dat het binnen een paar minuten klopt. Plaats een van de ECG-elektroden zo dicht mogelijk bij het hartoppervlak om een goede signaalkwaliteit te garanderen.Suspensie de tweede ECG-elektrode in de schildklieroplossing en zorg ervoor dat het ECG wordt geregistreerd. Plaats de micro-LED-array op het interessegebied. Verander de perfusie in een schildklier met een laag kaliumgehalte met penecidle en bekijk het hart gedurende 15 tot 30 minuten.Om aritmie te induceren, verlicht u het hart met LED één en LED twee met een trein van 20 tot 50 lichtpulsen met een frequentie van 25 tot 35 hertz, pulsduur van twee tot 15 milliseconden en lichtintensiteit van 2,8 milli watt per vierkante millimeter. Herhaal het proces totdat aritmie is geïnduceerd. Zodra een aanhoudende aritmie visueel is gedetecteerd, past u een uitbarsting van pulsen met verschillende breedtes en frequenties toe met behulp van drie, zes of negen micro-LED's van de array bij een pulserende stroom van 15 milliampère pieren.Als de aritmie doorgaat na vijf micro-LED-array-gebaseerde defibrillatiestudies, classificeert u de poging als mislukt en start u back-updefibrillatie, met led één en led twee met dezelfde timingparameters. Perfuseer het hart met de blebbistatine-oplossing en wacht tot mechanische ontkoppeling optreedt, wat wordt bereikt wanneer het hart stopt met kloppen, maar een ECG-signaal nog steeds meetbaar is. Geef de één milliliter spanningskleurstof, kleurstof 4-A-N-B-D-Q-P-Q als bolus in de bellenvanger van de Langendorff-perfusie en wacht vijf tot 10 minuten om de kleurstof het hart gelijkmatig te laten doornemen.Schakel LED drie in. Richt de camera op het hartoppervlak en pas 1,27 milli watt per vierkante millimeter optisch vermogen toe. Schakel de laboratoriumlampen uit en begin met opnemen, zorg ervoor dat een optisch signaal wordt verkregen door de frequentie van het verkregen signaal te vergelijken met de frequentie van het opgenomen ECG.Een reeks experimenten met verschillende frequenties, aantal micro-LED en pulsduur werden getest voor 11 muizen, waaruit bleek dat pulsen van 1 tot 20 milliseconden kunnen defibrilleren met verschillende slagingspercentages. Er is een significante toename van het slagingspercentage van de negen LED's met een pulsduur van één milliseconde en 20 milliseconden bij een defibrillatiefrequentie van 18 en 20 hertz, wat dichter bij de geanalyseerde gemiddelde aritmiefrequentie van 22,55 van alle aritmieën ligt met een foutinterval van plus of min vier punt nul drie hertz. Twee verschillende defibrillatiepogingen met 14 hertz frequentie met hun ECG opnames en hun respectievelijke spectrogrammen worden hier getoond.In een voorbeeld van defibrillatie met pulsen van 30 milliseconden neemt de dominante frequentie van de aritmie iets toe totdat de fotostimulatie begint. De VF wordt omgezet in een VT waarbij de dominante frequentie daalt tot 14 hertz gevolgd door mislukte beëindiging en terugkeert naar aritmisch gedrag met een dominante frequentie van 24 hertz. In het tweede voorbeeld toont segment één een VT met een dominante frequentie van 23 hertz en zijn harmonische componenten totdat de fotostimulatie begint, met een pulsbreedte van 20 milliseconden.Segment drie toont een succesvolle beëindiging die leidt tot een normaal sinusritme met een fundamentele frequentie van 3,5 hertz en de resulterende harmonischen. Optische mapping met hogesnelheidscamera's toonde een verandering van fluorescentie-intensiteit tijdens een enkele hartslag tijdens een normaal sinusritme. De duur van de perfusie moet alle voorwaarden handhaven om het hart gezond te houden, namelijk de temperatuur, de pH-waarde en de oxidatie moeten constant blijven.Het is vooral belangrijk dat de tyroïde-oplossing niet leegloopt, omdat luchtbellen in het systeem het hart kunnen beschadigen. De micro reality array biedt grote flexibiliteit. U kunt verschillende locaties van het hart targeten of zelfs meerdere arrays in één experiment combineren om aritmie op de juiste manier te beëindigen.

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

De beoordeling van de hartfunctie en Energetica in geïsoleerde Mouse Hearts gebruik 31 P NMR-spectroscopie

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 geïnduceerd door dobutamine en bewaakt door hartkatheterisatie in Muizen

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

Direct Pressure Monitoring voorspelt nauwkeurig Pulmonary Vein Occlusion Tijdens 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

Intramyocardiale Cell Levering: Waarnemingen in Muizen Harten

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 in typische en atypische ontwikkeling

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

Inductie en beoordeling van ischemie-reperfusie schade in Langendorff-geperfuseerde Rat Hearts

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

Een model van remodellering Door vernauwing van de abdominale aorta bij ratten

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

Cardiale magnetische resonantie beeldvorming bij 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

Oesofageale warmteoverdracht voor patiënt temperatuurregeling en gerichte temperatuur Management

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

Isolatie en zuivering van Murine cardiale Pericytes

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