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

Les auteurs tiennent à remercier Marion Kunze et Tina Althaus pour leur excellent soutien technique lors des expériences. La recherche qui a conduit aux résultats a reçu un financement du septième programme-cadre de la Communauté européenne FP7/2007-2013 sous le numéro de convention de subvention HEALTH-F2-2009-241526. Le Centre allemand de recherche cardiovasculaire, DZHK e.V. (projet MD28), le site partenaire de Göttingen, la Fondation allemande pour la recherche CRC 1002 (projet C03) et la Société Max Planck ont également apporté leur soutien. Ce travail a été en partie soutenu par BrainLinks-BrainTools, Cluster of Excellence financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG, numéro de subvention EXC 1086).

Toutes les expériences ont strictement suivi la réglementation sur le bien-être animal, en accord avec la législation allemande, les stipulations locales et conformément aux recommandations de la Fédération des associations européennes de science des animaux de laboratoire (FELASA). La demande d’approbation des expériences sur les animaux a été approuvée par l’autorité responsable du bien-être animal et toutes les expériences ont été signalées à nos représentants du bien-être animal.
<p class...

<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>

Un traitement réussi des tachyarythmies cardiaques est la clé de la thérapie cardiaque. Cependant, les mécanismes biophysiques sous-jacents à l’initiation, à la perpétuation et à l’arrêt de l’arythmie ne sont pas entièrement compris. Par conséquent, la recherche cardiaque vise à optimiser la thérapie par choc électrique vers une fin plus douce des arythmies, augmentant ainsi la qualité de vie des patients 28,29,30,31.<sup class="xr...

Les premières recherches sur la dynamique spatio-temporelle au cours de l’arythmie ont révélé que les schémas électriques complexes au cours de la fibrillation cardiaque sont entraînés par des ondes d’excitation rotatives de type vortex1. Cette découverte a donné de nouvelles informations sur les mécanismes sous-jacents des arythmies, ce qui a ensuite conduit au développement de nouvelles thérapies de terminaison électrique basées sur l’excitation multi-sites du myocarde 2,3,4. Cependant, les traitements utilisant la stimulation de champ électrique sont non locaux et peuvent innerver toutes les cellules excitables environnantes, y compris le tissu musculaire, causant des dommages cellulaires et tissulaires, ainsi que des douleurs intolérables. Contrairement aux thérapies électriques, les approches optogénétiques fournissent une technique spécifique et protectrice des tissus pour évoquer les potentiels d’action des cardiomyocytes avec une grande précision spatiale et temporelle. Par conséquent, la stimulation optogénétique a le potentiel de contrôler invasivement le moins possible des schémas d’activation chaotiques pendant la fibrillation cardiaque.
L’introduction du canal ionique sensible à la lumière channelrhodopsin-2 (ChR2) dans les cellules excitables par manipulation génétique 5,6,7, a permis la dépolarisation du potentiel membranaire des cellules excitables par photostimulation. Plusieurs applications médicales, notamment l’activation des réseaux neuronaux, le contrôle de l’activité cardiaque, la restauration de la vision et de l’ouïe, le traitement des lésions de la moelle épinière, et d’autres 8,9,10,11,12,13,14 ont été développées. L’application de ChR2 en cardiologie a un potentiel important en raison de son temps de réponse milliseconde15, ce qui le rend bien adapté au contrôle ciblé de la dynamique cardiaque arythmique.
Dans cette étude, la photostimulation multisite des cœurs intacts d’un modèle murin transgénique est montrée. En résumé, une lignée de souris transgéniques alpha-MHC-ChR2 a été établie dans le cadre du septième programme-cadre de la Communauté européenne FP7/2007-2013 (HEALTH-F2-2009-241526) et aimablement fournie par le professeur S. E. Lehnart. En général, les mâles adultes transgéniques C57/B6/J, exprimant la Cre-recombinase sous contrôle de l’alpha-CMH, ont été jumelés pour s’accoupler avec la femelle B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdTomato)Hye/J. Comme la cassette cardiaque STOP a été supprimée à la deuxième génération, la progéniture a montré une expression stable du CMH-ChR2 et a été utilisée pour maintenir des colonies photosensibles cardiaques. Toutes les expériences ont été effectuées sur des souris adultes des deux sexes âgées de 36 à 48 semaines. L’éclairage est réalisé à l’aide d’un réseau de micro-LED 3 x 3, fabriqué comme décrit en16,17, sauf que le boîtier à base de silicium et les fibres de verre optiques courtes ne sont pas mis en œuvre. Sa première utilisation dans une application cardiaque se trouve dans18. Un réseau linéaire de micro-LED basé sur une technologie de fabrication similaire a été appliqué comme sonde pénétrante pour la stimulation cardiaque19. Les micro-LED sont disposées en un réseau 3 x 3 à un pas de 550 μm, fournissant à la fois une haute résolution spatiale et une puissance rayonnante élevée sur une très petite surface. Les auteurs démontrent dans ce travail une photostimulation multisite locale polyvalente qui pourrait ouvrir la voie au développement de nouvelles méthodes de thérapie antiarythmique.
Le protocole expérimental suivant implique une perfusion de Langendorff rétrograde ex vivo, pour laquelle l’aorte canulée fonctionne comme une entrée de perfusion. En raison de la pression de perfusion appliquée et de la contraction cardiaque, le perfusat circule dans les artères coronaires, qui se ramifient hors de l’aorte. Dans le travail présenté, le cœur est perfusé à l’aide d’une configuration à pression constante obtenue en élevant les réservoirs perfusats à 1 m de hauteur, ce qui équivaut à 73,2 mmHg, ce qui donne un débit de 2,633 ± 0,583 mL / min. Deux types de solution de Tyrode sont utilisés comme perfusat au cours de l’expérience. La solution de Tyrode régulier soutient un rythme sinusal stable, tandis que la solution de Tyrode Low-K+ est mélangée avec Pinacidil pour permettre l’induction de l’arythmie dans les cœurs murins. L’utilisation d’un bain-marie hexagonal permet l’observation du cœur à travers six fenêtres planes différentes, permettant le couplage de plusieurs composants optiques avec moins de distorsion par réfraction.

<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

Les tachyarythmies ventriculaires sont une cause majeure de mortalité et de morbidité dans le monde. La défibrillation électrique utilisant des chocs électriques à haute énergie est actuellement le seul traitement de la fibrillation ventriculaire potentiellement mortelle. Cependant, la défibrillation peut avoir des effets secondaires, y compris une douleur intolérable, des lésions tissulaires et une aggravation du pronostic, indiquant un besoin médical important pour le développement de stratégies de gestion du rythme cardiaque plus douces. Outre les approches électriques réductrices d’énergie, l’optogénétique cardiaque a été introduite comme un outil puissant pour influencer l’activité cardiaque en utilisant des canaux ioniques membranaires sensibles à la lumière et des impulsions lumineuses. Dans la présente étude, une méthode robuste et valide pour une photostimulation réussie de cœurs murins intacts perfusés de Langendorff sera décrite sur la base d’une stimulation multisite appliquant un réseau 3 x 3 de microdiodes électroluminescentes (micro-LED). La cartographie optique simultanée des ondes de tension de la membrane épicardique permet d’étudier les effets de la stimulation spécifique à la région et d’évaluer l’activité cardiaque nouvellement induite directement sur place. Les résultats obtenus montrent que l’efficacité de la défibrillation dépend fortement des paramètres choisis pour la photostimulation lors d’une arythmie cardiaque. Il sera démontré que la zone éclairée du cœur joue un rôle crucial pour le succès de l’arrêt ainsi que la façon dont le contrôle ciblé de l’activité cardiaque pendant l’éclairage pour modifier les schémas d’arythmie peut être atteint. En résumé, cette technique offre la possibilité d’optimiser la manipulation du mécanisme sur site sur la voie du contrôle en retour en temps réel du rythme cardiaque et, en ce qui concerne la spécificité de la région, de nouvelles approches pour réduire les dommages potentiels au système cardiaque par rapport à l’utilisation d’applications de choc électrique non spécifiques.

Le protocole permet l’induction d’arythmies ventriculaires dans des cœurs murins intacts à l’aide d’impulsions de photostimulation générées par LED 1 et LED 2 (Figure 1) avec une fréquence f ind comprise entre 25 Hz et 35 Hz et une durée d’impulsion Wind comprise entre 2 ms et 10 ms. Veuillez noter que le but de telles impulsions lumineuses rapides n’est pas de capturer le rythme cardiaque, mais plutôt de déséquilibrer l’activité cardiaque afin ...

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

Ce travail rapporte une méthode pour contrôler le rythme cardiaque de cœurs murins intacts de souris transgéniques channelrhodopsin-2 (ChR2) en utilisant la photostimulation locale avec un réseau micro-LED et la cartographie optique simultanée du potentiel de membrane épicardique.

Gestion avancée du rythme cardiaque par application d’une photostimulation optogénétique multisite dans les cœurs murins

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

La fibrillation cardiaque et la défibrillation physiques les plus sous-jacentes ne restent pas complètement comprises. L’optogénétique peut offrir un moyen de mieux comprendre les phénomènes cardiaques dans un environnement bien contrôlé. La stimulation lumineuse locale à l’aide de micro-LED permet l’innovation de zones spécifiques du tissu cardiaque.Cette stimulation ciblée est un nouvel outil pour développer des méthodes de thérapie anti-arithmétique douces pour le cœur. Le protocole montré peut être utilisé pour étudier le comportement cardiaque pendant l’arythmie cardiaque et surtout pendant l’interruption de grossesse. En perspective, les techniques développées peuvent être utilisées pour étudier des modèles de grands animaux plus pertinents sur le plan clinique.Avant chaque expérience, nettoyez tous les tubes avec de l’eau entièrement déminéralisée. Aérer les solutions thyroïdiennes avec du carbogène pendant 30 minutes à température ambiante et ajuster le pH à 7,3 avec de l’hydroxyde de sodium et de l’acide chlorhydrique. Chauffez le système de perfusion à 37 degrés Celsius avec une pompe à chaleur à eau.Maintenez la température du perfusat constante dans le bain-marie en utilisant un élément chauffant supplémentaire tel qu’un câble chauffant étanche. Ajouter 500 millilitres de chaque solution thyroïdienne au réservoir correspondant et désaérer les tubes ainsi que le piège à bulles en faisant passer la solution thyroïdienne à travers le système de perfusion jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de bulles d’air piégées dans les tubes ou dans le piège à bulles. Continuez à aérer les solutions thyroïdiennes pendant toute l’expérience dans les réservoirs avec du carbogène pour s’assurer que le pH du perfusat reste stable plus tard pendant la perfusion.Après avoir retiré le cœur, effectuez la préparation fine au microscope stéréoscopique. Fixez l’aorte sur l’aiguille émoussée et fixez le vaisseau avec un matériau de suture. Comme contrôle, injectez une solution thyroïdienne glacée à travers l’aiguille dans le cœur et vérifiez que le cœur est bien monté.Transférez le cœur monté dans le système de perfusion et assurez-vous que le perfusat circule pour empêcher l’air de pénétrer dans le cœur tout en reliant l’aiguille au piège à bulles. Vérifiez que le cœur est recouvert de solution thyroïdienne dans le bain-marie et qu’il bat en quelques minutes. Placez l’une des électrodes ECG aussi près que possible de la surface du cœur pour assurer une bonne qualité du signal.Suspendez la deuxième électrode ECG dans la solution thyroïdienne, en vous assurant que l’ECG est enregistré. Placez le micro LED array sur la zone d’intérêt. Changez la perfusion à faible taux de potassium thyroïdien avec pénicide et parcourez le cœur pendant 15 à 30 minutes.Pour induire l’arythmie, illuminez le cœur avec une LED un et LED deux avec un train de 20 à 50 impulsions lumineuses avec une fréquence de 25 à 35 hertz, une durée d’impulsion de deux à 15 millisecondes et une intensité lumineuse de 2,8 milliwatts par millimètres carrés. Répétez le processus jusqu’à ce que l’arythmie soit induite. Une fois qu’une arythmie soutenue est détectée visuellement, appliquez une rafale d’impulsions de différentes largeurs et fréquences en utilisant trois, six ou neuf micro-LED du réseau à un courant pulsé de 15 milliampères.Si l’arythmie persiste après cinq essais de défibrillation basés sur des micro-réseaux de LED, classez la tentative comme infructueuse et commencez la défibrillation de secours, en utilisant une LED une et deux LED avec les mêmes paramètres de synchronisation. Perfusez le cœur avec la solution de blébbistatine et attendez que le découplage mécanique se produise, ce qui est accompli lorsque le cœur cesse de battre, mais un signal ECG est toujours mesurable. Donnez le colorant de tension d’un millilitre, colorant 4-A-N-B-D-Q-P-Q comme un bol dans le piège à bulles de la perfusion de Langendorff et attendez cinq à 10 minutes pour permettre au colorant de parcourir le cœur uniformément.Allumez trois LED. Concentrez la caméra sur la surface du cœur et appliquez 1,27 milliwatt par millimètre carré de puissance optique. Éteignez les lumières de laboratoire et démarrez l’enregistrement, en vous assurant qu’un signal optique est acquis en comparant la fréquence du signal obtenu à la fréquence de l’ECG enregistré.Une série d’expériences avec différentes fréquences, nombre de micro LED et durées d’impulsions ont été testées sur 11 souris, démontrant que des impulsions de 1 à 20 millisecondes peuvent défibriller avec différents taux de réussite. Il y a une augmentation significative du taux de réussite des neuf LED avec des durées d’impulsion d’une milliseconde et 20 millisecondes à une fréquence de défibrillation de 18 et 20 hertz, ce qui est plus proche de la fréquence d’arythmie moyenne analysée de 22,55 de toutes les arythmies avec un intervalle d’erreur de plus ou moins quatre virgule zéro trois hertz. Deux tentatives de défibrillation différentes avec une fréquence de 14 hertz avec leurs enregistrements ECG et leurs spectrogrammes respectifs sont montrées ici.Dans un exemple de défibrillation avec des impulsions de 30 millisecondes, la fréquence dominante de l’arythmie augmente légèrement jusqu’à ce que la photostimulation commence. Le VF est transformé en VT où la fréquence dominante tombe à 14 hertz, suivie d’une terminaison infructueuse et d’un retour au comportement arythmique avec une fréquence dominante de 24 hertz. Dans le deuxième exemple, le premier segment montre une VT avec une fréquence dominante de 23 hertz et ses composantes harmoniques jusqu’à ce que la photostimulation commence, avec une largeur d’impulsion de 20 millisecondes.Le segment trois affiche une terminaison réussie qui conduit à un rythme sinusal normal avec une fréquence fondamentale de 3,5 hertz et les harmoniques résultantes. La cartographie optique avec des caméras à grande vitesse a montré un changement d’intensité de fluorescence au cours d’un seul battement du cœur au cours d’un rythme sinusal normal. La durée de la perfusion doit maintenir toutes les conditions pour maintenir le cœur en bonne santé, à savoir la température, la valeur du pH et la nécessité de l’oxydation de rester constante.Il est particulièrement important que la solution tyroïde ne soit pas vide, car les bulles d’air dans le système peuvent endommager le cœur. Le réseau de micro-réalité offre une grande flexibilité. Vous pouvez cibler différents endroits du cœur ou même combiner plusieurs réseaux dans une expérience afin de mettre fin correctement à l’arythmie.

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

L&#39;évaluation de la fonction cardiaque et Energétique dans les coeurs isolés de souris à l&#39;aide<sup&gt; 31</sup&gt; P NMR Spectroscopy

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

Recherche

Médecine

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

Test de stress cardiaque induite par la dobutamine et surveillé par cathétérisme cardiaque chez la souris

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

Surveillance de la pression directe prédit avec précision l&#39;occlusion des veines pulmonaires pendant l&#39;ablation cryocathéter à ballonnet

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

Intramyocardique cellulaire livraison: Observations aux coeurs murins

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 rythme dans le développement typique et atypique

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

Induction et de l&#39;évaluation de l&#39;ischémie-reperfusion dans coeurs de rat Langendorff perfusés

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

Un modèle de Cardiac Remodeling Grâce à constriction de l&#39;aorte abdominale chez les rats

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

Imagerie par résonance magnétique cardiaque à 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

Transfert de chaleur oesophagienne pour le contrôle de la température du Patient et de la gestion de la température ciblée

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

Isolement et purification des périphytes cardiaques murines

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