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 takke Marion Kunze og Tina Althaus for deres utmerkede tekniske støtte under eksperimenter. Forskningen som fører til resultatene har mottatt finansiering fra EUs syvende rammeprogram FP7/2007-2013 under tilskuddsavtale nummer HEALTH-F2-2009-241526. Støtte ble også gitt av det tyske senteret for kardiovaskulær forskning, DZHK eV (Project MD28), partnerstedet Goettingen, den tyske forskningsstiftelsen CRC 1002 (prosjekt C03) og Max Planck Society. Dette arbeidet ble delvis støttet av BrainLinks-BrainTools, Cluster of Excellence finansiert av den tyske forskningsstiftelsen (DFG, tilskuddsnummer EXC 1086).

Alle forsøkene fulgte dyrevelferdsforskriften strengt, i samsvar med tysk lovgivning, lokale bestemmelser og i samsvar med anbefalinger fra Federation of European Laboratory Animal Science Associations (FELASA). Søknad om godkjenning av dyreforsøk er godkjent av ansvarlig dyrevelferdsmyndighet, og alle forsøk er meldt til våre dyrevelferdsrepresentanter.
1. Eksperimentforberedelse og materialer
<ol><li>Oppsett for optisk kartlegging MERK: Det optiske oppsettet, samt det elektriske op...

<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 av hjertetakyarytmier er nøkkelen til hjertebehandling. Imidlertid er de biofysiske mekanismene som ligger til grunn for arytmiinitiering, fortsettelse og avslutning ikke fullt ut forstått. Derfor har hjerteforskning som mål å optimalisere elektrisk sjokkterapi mot en mer skånsom avslutning av arytmier, og dermed øke livskvaliteten til pasienter 28,29,30,31. Lav en...

Tidlige undersøkelser av romlig-temporal dynamikk under arytmi viste at de komplekse elektriske mønstrene under hjerteflimmer drives av virvellignende roterende eksitasjonsbølger1. Dette funnet ga ny innsikt i de underliggende mekanismene for arytmier, som deretter førte til utvikling av nye elektriske termineringsbehandlinger basert på multi-site eksitasjon av myokardiet 2,3,4. Imidlertid er behandlinger som bruker elektrisk feltstimulering ikke-lokale og kan innervere alle omkringliggende spennende celler, inkludert muskelvev, forårsaker cellulær og vevskader, samt utålelig smerte. I motsetning til elektriske terapier gir optogenetiske tilnærminger en spesifikk og vevbeskyttende teknikk for å fremkalle kardiomyocyttvirkningspotensialer med høy romlig og tidsmessig presisjon. Optogenetisk stimulering har derfor potensial for minimal invasiv kontroll av de kaotiske aktiveringsmønstrene under hjerteflimmer.
Innføringen av den lysfølsomme ionkanalen channelrhodopsin-2 (ChR2) i spennende celler via genetisk manipulasjon 5,6,7, muliggjorde depolarisering av membranpotensialet til spennende celler ved hjelp av fotostimulering. Flere medisinske applikasjoner, inkludert aktivering av nevrale nettverk, kontroll av hjerteaktivitet, restaurering av syn og hørsel, behandling av ryggmargsskader og andre 8,9,10,11,12,13,14 er utviklet. Anvendelsen av ChR2 i kardiologi har betydelig potensial på grunn av sin millisekund responstid15, noe som gjør den godt egnet for målrettet kontroll av arytmisk hjertedynamikk.
I denne studien vises multi-site fotostimulering av intakte hjerter av en transgen musemodell. Oppsummert ble en transgen alfa-MHC-ChR2-muselinje etablert innenfor rammen av Det europeiske fellesskaps syvende rammeprogram FP7/2007-2013 (HEALTH-F2-2009-241526) og vennlig levert av prof. S. E. Lehnart. Generelt ble transgen voksen hann C57/B6/J, som uttrykker Cre-recombinase under kontroll av alfa-MHC, paret for å parre seg med kvinnelig B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdTomato)Hye/J. Siden hjerte-STOP-kassetten ble slettet i andre generasjon, viste avkommet et stabilt MHC-ChR2-uttrykk og ble brukt til å opprettholde hjerte-lysfølsomme kolonier. Alle eksperimenter ble gjort med voksne mus av begge kjønn i en alder av 36-48 uker. Belysningen oppnås ved hjelp av en 3 x 3 mikro-LED-array, produsert som beskrevet i16,17, bortsett fra at det silisiumbaserte huset og de korte optiske glassfibrene ikke er implementert. Den første bruken i en hjerteapplikasjon er funnet i18. En lineær mikro-LED-matrise basert på en lignende fabrikasjonsteknologi har blitt brukt som en penetrerende sonde for hjertetempo19. Mikro-lysdiodene er arrangert i en 3 x 3 array i en tonehøyde på 550 μm, noe som gir både en høy romlig oppløsning og en høy stråleeffekt på et svært lite område. Forfatterne demonstrerer i dette arbeidet en allsidig lokal multi-site fotostimulering som kan åpne veien for å utvikle nye antiarytmiske terapimetoder.
Følgende eksperimentelle protokoll innebærer en retrograd Langendorff perfusjon ex vivo, for hvilken kanylert aorta fungerer som perfusjonsinnløp. På grunn av det påførte perfusjonstrykket og hjertekontraksjonen strømmer perfusatet gjennom koronararteriene, som forgrener seg fra aorta. I det presenterte arbeidet blir hjertet perfundert ved hjelp av et konstant trykkoppsett oppnådd ved å heve perfusatreservoarene til 1 m høyde, tilsvarende 73,2 mmHg, noe som gir en strømningshastighet på 2,633 ± 0,583 ml / min. To typer Tyrodes løsning brukes som perfusat under forsøket. Vanlig Tyrodes løsning støtter en stabil sinusrytme, mens Low-K + Tyrodes løsning blandes med Pinacidil for å muliggjøre induksjon av arytmi i murine hjerter. Bruken av et sekskantet vannbad tillater observasjon av hjertet gjennom seks forskjellige plane vinduer, noe som gjør det mulig å koble flere optiske komponenter med mindre forvrengning ved brytning.

<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

Ventrikulære takyarytmier er en viktig årsak til dødelighet og sykelighet over hele verden. Elektrisk defibrillering ved hjelp av høy-energi elektriske støt er for tiden den eneste behandlingen for livstruende ventrikkelflimmer. Defibrillering kan imidlertid ha bivirkninger, inkludert uutholdelig smerte, vevskader og forverring av prognosen, noe som indikerer et betydelig medisinsk behov for utvikling av mer milde styringsstrategier for hjerterytme. I tillegg til energireduserende elektriske tilnærminger ble hjerteoptogenetikk introdusert som et kraftig verktøy for å påvirke hjerteaktiviteten ved hjelp av lysfølsomme membranionkanaler og lyspulser. I denne studien vil en robust og gyldig metode for vellykket fotostimulering av Langendorff-perfunderte intakte murinehjerter bli beskrevet basert på multi-site pacing ved å bruke en 3 x 3 array av mikrolysdioder (mikro-LED). Samtidig optisk kartlegging av epikardiale membranspenningsbølger gjør det mulig å undersøke effekten av regionspesifikk stimulering og evaluerer den nylig induserte hjerteaktiviteten direkte på stedet. De oppnådde resultatene viser at effekten av defibrillering er sterkt avhengig av parametrene som er valgt for fotostimulering under hjertearytmi. Det vil bli demonstrert at det opplyste området av hjertet spiller en avgjørende rolle for termineringssuksess, samt hvordan målrettet kontroll av hjerteaktivitet under belysning for å endre arytmimønstre kan oppnås. Oppsummert gir denne teknikken en mulighet til å optimalisere manipuleringen på stedet på vei til sanntids tilbakemeldingskontroll av hjerterytmen og, med hensyn til regionspesifisiteten, nye tilnærminger for å redusere potensiell skade på hjertesystemet sammenlignet med bruken av ikke-spesifikke elektriske støtapplikasjoner.

Protokollen tillater induksjon av ventrikulære arytmier i intakte murinhjerter ved bruk av fotostimuleringspulser generert av LED 1 og LED 2 (figur 1) med en frekvens f ind mellom 25 Hz og 35 Hz og en pulsvarighet Wind mellom 2 ms og 10 ms. Vær oppmerksom på at målet med slike raske lyspulser ikke er å fange hjerterytmen, men heller å balansere hjerteaktiviteten slik at uberegnelige elektriske bølger kan genereres, noe som deretter letter en arytmi. Fordelen med ...

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 arbeidet rapporterer en metode for å kontrollere hjerterytmen til intakte murinhjerter av transgene kanalrhodopsin-2 (ChR2) mus ved hjelp av lokal fotostimulering med en mikro-LED-matrise og samtidig optisk kartlegging av epikardial membranpotensial.

Avansert hjerterytmehåndtering ved å bruke optogenetisk multi-site fotostimulering i murine hjerter

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

Den fysiske mest underliggende hjerteflimmer og defibrillering forblir ikke helt forstått. Optogenetikk kan tilby en måte å få mer innsikt i hjertefenomener i et godt kontrollert miljø. Lokal lysstimulering ved hjelp av mikro-LED gjør det mulig å utvikle spesifikke hjertevevsområder.Denne målrettede stimuleringen er et nytt verktøy for å utvikle hjerte milde anti aritmetiske terapi metoder. Den viste protokollen kan brukes til å studere hjerteadferd under hjertearytmi og spesielt under avslutning. I prospektiv kan de utviklede teknikkene brukes til å studere mer klinisk relevante store dyremodeller.Før hvert eksperiment, rengjør alle rør med fullt de-mineralisert vann. Luft tyreoideaoppløsninger med karbogen i 30 minutter ved romtemperatur og juster pH til 7,3 med natriumhydroksid og saltsyre. Varm opp perfusjonssystemet til 37 grader Celsius med en vannvarmepumpe.Hold den perfuserte temperaturen konstant i vannbadet ved å bruke et ekstra varmeelement som en vanntett varmekabel. Tilsett 500 ml av hver skjoldbruskoppløsning til det tilsvarende reservoaret og avluft rørene så vel som boblefellen ved å kjøre skjoldbruskoppløsning gjennom perfusjonssystemet til det ikke ses flere fangede luftbobler i rørene eller i boblefellen. Fortsett å lufte skjoldbruskoppløsningene under hele forsøket i reservoarene med karbogen for å sikre at pH i perfusatet forblir stabil senere under perfusjon.Etter å ha fjernet hjertet, utfør det fine preparatet under et stereoskopisk mikroskop. Fest aorta på den stumpe nålen og fest karet med suturmateriale. Som en kontroll, injiser iskald skjoldbrusk oppløsning gjennom nålen inn i hjertet, og kontroller at hjertet er tett montert.Overfør det monterte hjertet til perfusjonssystemet og sørg for at perfusatet strømmer for å forhindre at luft kommer inn i hjertet mens du kobler nålen til boblefellen. Kontroller at hjertet er dekket med skjoldbruskoppløsning i vannbadet og at det slår i løpet av få minutter. Plasser en av EKG-elektrodene så nær hjerteoverflaten som mulig for å sikre god signalkvalitet.Stopp den andre EKG-elektroden i thyreoideaoppløsningen, og sørg for at EKG registreres. Plasser mikro-LED-matrisen på interesseområdet. Bytt perfusjonen til lav kalium skjoldbrusk med penecidle og les hjertet i 15 til 30 minutter.For å indusere arytmi, belyse hjertet med LED en og LED to med et tog på 20 til 50 lyspulser med en frekvens på 25 til 35 hertz, pulsvarighet på to til 15 millisekunder og lysintensitet på 2,8 milli watt per kvadratmillimeter. Gjenta prosessen til arytmi er indusert. Når en vedvarende arytmi er visuelt oppdaget, bruk en utbrudd av pulser med forskjellige bredder og frekvenser ved hjelp av tre, seks eller ni mikro-lysdioder i matrisen ved en pulserende strøm på 15 milliamp brygger.Hvis arytmien fortsetter etter fem mikro-LED-arraybaserte defibrilleringsforsøk, klassifiserer du forsøket som mislykket og starter sikkerhetskopieringsdefibrillering, ved hjelp av LED en og LED to med samme timingparametere. Perfuse hjertet med blebbistatinoppløsningen og vent til mekanisk frakobling oppstår, noe som oppnås når hjertet slutter å slå, men et EKG-signal er fortsatt målbart. Gi en milliliter spenningsfargestoff, fargestoff 4-A-N-B-D-Q-P-Q som en bolus i boblefellen til Langendorff-perfusjonen og vent i fem til 10 minutter for å la fargestoffet lese hjertet jevnt.Slå på LED tre. Fokuser kameraet på hjertets overflate og bruk 1,27 milli watt per kvadratmillimeter optisk effekt. Slå av laboratorielysene og start opptaket, og sørg for at et optisk signal blir anskaffet ved å sammenligne frekvensen til det oppnådde signalet med frekvensen til det innspilte EKG.En rekke eksperimenter med forskjellige frekvenser, antall mikro-LED og pulsvarigheter ble testet for 11 mus, og demonstrerte at pulser på 1 til 20 millisekunder kan defibrillere med forskjellige suksessrater. Det er en betydelig økning i suksessraten for de ni lysdiodene med pulsvarighet på ett millisekund og 20 millisekunder ved en defibrilleringsfrekvens på 18 og 20 hertz, som er nærmere den analyserte gjennomsnittlige arytmifrekvensen på 22,55 av alle arytmiene med et feilintervall på pluss eller minus fire punkt null tre hertz. To forskjellige defibrilleringsforsøk med 14 hertzfrekvens med EKG-opptak og deres respektive spektrogrammer er vist her.I et eksempel på defibrillering med 30 millisekundpulser øker den dominerende frekvensen av arytmien litt til fotostimulering begynner. VF blir omgjort til en VT hvor den dominerende frekvensen faller til 14 hertz etterfulgt av mislykket avslutning og går tilbake til arytmisk oppførsel med en dominerende frekvens på 24 hertz. I det andre eksemplet viser segment en en VT med dominerende frekvens på 23 hertz og det er harmoniske komponenter til fotostimulering begynner, med en pulsbredde på 20 millisekunder.Segment tre viser en vellykket avslutning som fører til en normal sinusrytme med en grunnleggende frekvens på 3,5 hertz og de resulterende harmoniske. Optisk kartlegging med høyhastighetskameraer viste endring i fluorescensintensitet i løpet av et enkelt hjerteslag under normal sinusrytme. Lengden på perfusjon må opprettholde alle forhold for å holde hjertet sunt, nemlig temperaturen, pH-verdien og oksidasjonen må forbli konstant.Det er spesielt viktig at tyroidoppløsningen ikke går tom, da luftbobler i systemet kan skade hjertet. Micro Reality Array gir stor fleksibilitet. Du kan målrette mot forskjellige steder i hjertet eller til og med kombinere flere matriser i ett eksperiment for å kunne avslutte arytmi på riktig måte.

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 indusert av Dobutamine og overvåkes av Hjertekateterisering 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 Pressure Monitoring Spår Nøyaktig Pulmonal Vein Okklusjon Under Cryoballoon Ablasjon

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: Observasjoner i murine Hearts

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 Typisk og atypisk utvikling

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

Induksjon og vurdering av iskemi-reperfusjon Injury in Langendorff-perfuserte 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 modell av Cardiac Ombygging Gjennom Innsnevring av hovedpulsåren i 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

CARDIAC magnetisk resonans 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 varmeoverføring for pasienten temperaturkontroll og målrettet temperatur

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 rensing av murine CARDIAC Pericytes

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