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

Os autores gostariam de agradecer a Marion Kunze e Tina Althaus por seu excelente suporte técnico durante os experimentos. A investigação que conduziu aos resultados recebeu financiamento do Sétimo Programa-Quadro da Comunidade Europeia FP7/2007-2013 ao abrigo da convenção de subvenção número HEALTH-F2-2009-241526. O apoio também foi fornecido pelo Centro Alemão de Pesquisa Cardiovascular, DZHK e.V. (Projeto MD28), site parceiro Goettingen, a Fundação Alemã de Pesquisa CRC 1002 (projeto C03) e a Sociedade Max Planck. Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo BrainLinks-BrainTools, Cluster of Excellence financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG, número de concessão EXC 1086).

Todos os experimentos seguiram estritamente o regulamento de bem-estar animal, de acordo com a legislação alemã, as estipulações locais e de acordo com as recomendações da Federação das Associações Europeias de Zootecnia de Laboratório (FELASA). O pedido de aprovação de experiências em animais foi aprovado pela autoridade responsável pelo bem-estar animal e todas as experiências foram comunicadas aos nossos representantes em matéria de bem-estar animal.
1. Preparação e materi...

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	<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>

Um tratamento bem-sucedido das taquiarritmias cardíacas é fundamental para a terapia cardíaca. No entanto, os mecanismos biofísicos subjacentes ao início, perpetuação e término da arritmia não são totalmente compreendidos. Portanto, a pesquisa cardíaca visa otimizar a terapia de choque elétrico para uma terminação mais suave das arritmias, aumentando assim a qualidade de vida dos pacientes 28,29,30,31.<s...

Investigações iniciais da dinâmica espaço-temporal durante a arritmia revelaram que os complexos padrões elétricos durante a fibrilação cardíaca são impulsionados por ondas de excitação rotativas semelhantes a vórtices1. Esse achado deu novos insights sobre os mecanismos subjacentes das arritmias, o que levou ao desenvolvimento de novas terapias de terminação elétrica baseadas na excitação multissítio do miocárdio 2,3,4. No entanto, os tratamentos que utilizam estimulação elétrica de campo não são locais e podem inervar todas as células excitáveis circundantes, incluindo o tecido muscular, causando danos celulares e teciduais, bem como dor intolerável. Em contraste com as terapias elétricas, as abordagens optogenéticas fornecem uma técnica específica e protetora dos tecidos para evocar potenciais de ação de cardiomiócitos com alta precisão espacial e temporal. Portanto, a estimulação optogenética tem o potencial de controle invasivo mínimo dos padrões de ativação caótica durante a fibrilação cardíaca.
A introdução do canal iônico sensível à luz canalrodopsina-2 (ChR2) em células excitáveis via manipulação genética 5,6,7, possibilitou a despolarização do potencial de membrana de células excitáveis por meio da fotoestimulação. Várias aplicações médicas, incluindo a ativação de redes neuronais, o controle da atividade cardíaca, a restauração da visão e da audição, o tratamento de lesões medulares e outras 8,9,10,11,12,13,14 têm sido desenvolvidas. A aplicação da ChR2 em cardiologia tem potencial significativo devido ao seu tempo de resposta de milissegundos15, tornando-a adequada para o controle direcionado da dinâmica cardíaca arrítmica.
Neste estudo, a fotoestimulação multi-local de corações intactos de um modelo de rato transgênico é mostrada. Em resumo, foi criada uma linha de ratinhos alfa-MHC-ChR2 transgénicos no âmbito do Sétimo Programa-Quadro da Comunidade Europeia FP7/2007-2013 (HEALTH-F2-2009-241526) e gentilmente fornecida pelo Prof. S. E. Lehnart. Em geral, machos adultos transgênicos C57/B6/J, expressando Cre-recombinase sob controle de alfa-MHC foram pareados para acasalar com fêmeas B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdTomato)Hye/J. Como o STOP cardíaco foi apagado na segunda geração, a prole apresentou expressão estável de MHC-ChR2 e foi utilizada para manter colônias fotossensíveis cardíacas. Todos os experimentos foram feitos com camundongos adultos de ambos os sexos com uma idade de 36 a 48 semanas. A iluminação é obtida usando uma matriz de micro-LED 3 x 3, fabricada conforme descrito em16,17, exceto que o invólucro à base de silício e as fibras de vidro ópticas curtas não são implementados. Seu primeiro uso em uma aplicação cardíaca é encontrado em18. Uma matriz linear de micro-LED baseada em uma tecnologia de fabricação semelhante foi aplicada como uma sonda penetrante para o ritmo cardíaco19. Os micro-LEDs são dispostos em uma matriz 3 x 3 a um passo de 550 μm, proporcionando uma alta resolução espacial e uma alta potência radiante em uma área muito pequena. Os autores demonstram neste trabalho uma fotoestimulação multissítio local versátil que pode abrir caminho para o desenvolvimento de novos métodos de terapia antiarrítmica.
O protocolo experimental a seguir envolve uma perfusão retrógrada de Langendorff ex vivo, para a qual a aorta canulada funciona como entrada de perfusão. Devido à pressão de perfusão aplicada e à contração cardíaca, o perfusato está fluindo através das artérias coronárias, que se ramificam da aorta. No trabalho apresentado, o coração é perfundido utilizando-se uma configuração de pressão constante alcançada pela elevação dos reservatórios de perfusato a 1 m de altura, equivalente a 73,2 mmHg, o que resulta em uma vazão de 2,633 ± 0,583 mL/min. Dois tipos de solução de Tyrode's são usados como perfusato durante o experimento. A solução de Tyrode regular suporta um ritmo sinusal estável, enquanto a solução de Tyrode Low-K+ é misturada com Pinacidil para permitir a indução de arritmia em corações murinos. O uso de um banho-maria hexagonal permite a observação do coração através de seis janelas planares diferentes, permitindo o acoplamento de vários componentes ópticos com menor distorção por refração.

<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

As taquiarritmias ventriculares são uma das principais causas de mortalidade e morbidade em todo o mundo. A desfibrilação elétrica usando choques elétricos de alta energia é atualmente o único tratamento para fibrilação ventricular com risco de vida. No entanto, a desfibrilação pode ter efeitos colaterais, incluindo dor intolerável, danos teciduais e piora do prognóstico, indicando uma necessidade médica significativa para o desenvolvimento de estratégias de manejo do ritmo cardíaco mais suaves. Além das abordagens elétricas redutoras de energia, a optogenética cardíaca foi introduzida como uma ferramenta poderosa para influenciar a atividade cardíaca usando canais iônicos de membrana sensíveis à luz e pulsos de luz. No presente estudo, um método robusto e válido para fotoestimulação bem-sucedida de corações murinos intactos perfundidos de Langendorff será descrito com base na estimulação multi-local aplicando uma matriz 3 x 3 de microdiodos emissores de luz (micro-LED). O mapeamento óptico simultâneo das ondas de tensão da membrana epicárdica permite a investigação dos efeitos da estimulação específica da região e avalia a atividade cardíaca recém-induzida diretamente no local. Os resultados obtidos mostram que a eficácia da desfibrilação é fortemente dependente dos parâmetros escolhidos para a fotoestimulação durante uma arritmia cardíaca. Será demonstrado que a área iluminada do coração desempenha um papel crucial para o sucesso da terminação, bem como a forma como o controle direcionado da atividade cardíaca durante a iluminação para modificar os padrões de arritmia pode ser alcançado. Em resumo, essa técnica oferece a possibilidade de otimizar a manipulação do mecanismo no local no caminho para o controle de feedback em tempo real do ritmo cardíaco e, em relação à especificidade da região, novas abordagens na redução do dano potencial ao sistema cardíaco em comparação com o uso de aplicações de choque elétrico não específicas.

O protocolo permite a indução de arritmias ventriculares em corações murinos intactos utilizando pulsos de fotoestimulação gerados por LED 1 e LED 2 (Figura 1) com frequência f ind entre 25 Hz e 35 Hz e pulso de duração Wind entre 2 ms e 10 ms. Observe que o objetivo de tais pulsos de luz rápidos não é capturar o ritmo cardíaco, mas sim desequilibrar a atividade cardíaca para que ondas elétricas erráticas possam ser geradas, o que facilita uma arritmia....

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

Este trabalho relata um método de controle do ritmo cardíaco de corações murinos intactos de camundongos transgênicos com canalrodopsina-2 (ChR2) utilizando fotoestimulação local com matriz micro-LED e mapeamento óptico simultâneo do potencial de membrana epicárdica.

Gerenciamento Avançado do Ritmo Cardíaco Aplicando Fotoestimulação Optogenética Multi-Site em Corações Murinos

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

A fibrilação e desfibrilação cardíaca mais subjacentes do estado físico permanece não completamente compreendida. A optogenética pode oferecer uma maneira de obter mais informações sobre os fenômenos cardíacos em um ambiente bem controlado. A estimulação de luz local usando micro LEDs permite a inovação de áreas específicas do tecido cardíaco.Esta estimulação direcionada é uma nova ferramenta para desenvolver métodos de terapia anti-aritmética suave do coração. O protocolo mostrado pode ser usado para estudar o comportamento cardíaco durante a arritmia cardíaca e, especialmente, durante a terminação. Em perspectiva, as técnicas desenvolvidas podem ser utilizadas para estudar modelos animais de grande porte mais relevantes clinicamente.Antes de cada experimento, limpe todos os tubos com água totalmente desmineralizada. Arejar as soluções tireoidianas com carbogênio por 30 minutos à temperatura ambiente e ajustar o pH para 7,3 com hidróxido de sódio e ácido clorídrico. Aqueça o sistema de perfusão a 37 graus Celsius com uma bomba de calor de água.Mantenha a temperatura do perfusato constante dentro do banho-maria usando um elemento de aquecimento adicional, como um cabo de aquecimento à prova d'água. Adicione 500 mililitros de cada solução tireoidiana ao reservatório correspondente e desaregue os tubos, bem como a armadilha de bolhas, executando a solução da tireoide através do sistema de perfusão até que não sejam mais vistas bolhas de ar presas nos tubos ou na armadilha de bolhas. Continue arejando as soluções tireoidianas durante todo o experimento nos reservatórios com carbogênio para garantir que o pH do perfusato permaneça estável mais tarde durante a perfusão.Depois de remover o coração, execute a preparação fina sob um microscópio estereoscópico. Prenda a aorta na agulha contundente e fixe o vaso com material de sutura. Como controle, injete solução de tireoide gelada através da agulha no coração e verifique se o coração está bem montado.Transfira o coração montado para o sistema de perfusão e certifique-se de que o perfusato está fluindo para evitar que o ar entre no coração enquanto conecta a agulha com o purgador de bolhas. Verifique se o coração está coberto com solução de tireoide no banho-maria e se está batendo em poucos minutos. Coloque um dos eletrodos de ECG o mais próximo possível da superfície do coração para garantir uma boa qualidade de sinal.Suspenda o segundo eletrodo de ECG na solução da tireoide, certificando-se de que o ECG está sendo registrado. Coloque a matriz de micro LED na área de interesse. Mude a perfusão para tireoide com baixo teor de potássio com penécida e examine o coração por 15 a 30 minutos.Para induzir a arritmia, ilumine o coração com LED um e LED dois com um trem de 20 a 50 pulsos de luz com uma frequência de 25 a 35 hertz, duração do pulso de dois a 15 milissegundos e intensidade de luz de 2,8 miliwatts por milímetro quadrado. Repita o processo até que a arritmia seja induzida. Uma vez que uma arritmia sustentada é detectada visualmente, aplique uma explosão de pulsos com diferentes larguras e frequências usando três, seis ou nove micro LEDs da matriz a uma corrente pulsante de 15 pilares de miliamperes.Se a arritmia continuar após cinco ensaios de desfibrilação baseados em matriz de micro LED, classifique a tentativa como malsucedida e inicie a desfibrilação de backup, usando LED um e LED dois com os mesmos parâmetros de tempo. Perfundir o coração com a solução de blebbisstatina e esperar até que ocorra o desacoplamento mecânico, o que é realizado quando o coração para de bater, mas um sinal de ECG ainda é mensurável. Dê o corante de tensão de um mililitro, corante 4-A-N-B-D-Q-P-Q como um bolus na armadilha de bolhas da perfusão de Langendorff e espere de cinco a 10 minutos para permitir que o corante examine o coração uniformemente.Ligue o LED três. Foque a câmera na superfície do coração e aplique 1,27 miliwatts por milímetro quadrado de potência óptica. Desligue as luzes do laboratório e inicie a gravação, certificando-se de que um sinal óptico está sendo adquirido, comparando a frequência do sinal obtido com a frequência do ECG gravado.Uma série de experimentos com diferentes frequências, número de micro LED e durações de pulso foram testados para 11 camundongos, demonstrando que pulsos de 1 a 20 milissegundos podem desfibrilar com diferentes taxas de sucesso. Há um aumento significativo na taxa de sucesso dos nove LEDs com durações de pulso de um milissegundo e 20 milissegundos a uma frequência de desfibrilação de 18 e 20 hertz, o que é mais próximo da frequência média de arritmia analisada de 22,55 de todas as arritmias com um intervalo de erro de mais ou menos quatro pontos zero três hertz. Duas tentativas diferentes de desfibrilação com frequência de 14 hertz com seus registros de ECG e seus respectivos espectrogramas são mostradas aqui.Em um exemplo de desfibrilação com pulsos de 30 milissegundos, a frequência dominante da arritmia aumenta ligeiramente até que a fotoestimulação comece. A FV é transformada em um VT onde a frequência dominante cai para 14 hertz seguida de terminação malsucedida e retorno ao comportamento arrítmico com uma frequência dominante de 24 hertz. No segundo exemplo, o segmento um mostra um VT com frequência dominante de 23 hertz e seus componentes harmônicos até o início da fotoestimulação, com uma largura de pulso de 20 milissegundos.O segmento três exibe uma terminação bem-sucedida que leva a um ritmo sinusal normal com uma frequência fundamental de 3,5 hertz e os harmônicos resultantes. O mapeamento óptico com câmeras de alta velocidade mostrou uma mudança de intensidade de fluorescência durante uma única batida do coração durante um ritmo sinusal normal. O comprimento da perfusão deve manter todas as condições para manter o coração saudável, ou seja, a temperatura, o valor de pH e a oxidação precisam permanecer constantes.É particularmente importante que a solução tiroide não fique vazia, pois as bolhas de ar no sistema podem danificar o coração. O micro reality array oferece grande flexibilidade. Você pode segmentar diferentes locais do coração ou até mesmo combinar várias matrizes em um experimento, a fim de terminar adequadamente a arritmia.

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

Avaliação da função cardíaca e Energetics em Corações Isolados rato Usando 31 P NMR Spectroscopy

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

Medicina

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

Teste de estresse cardíaco induzido por dobutamina e Monitorado por cateterismo cardíaco em ratos

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

Monitorização da Pressão direta é capaz de predizer oclusão da veia pulmonar durante ablação Cryoballoon

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

Entrega celular intramiocárdico: Observações em murino Corações

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 Ritmo no desenvolvimento típico e atípico

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

Indução e Avaliação de isquemia-reperfusão em Langendorff-perfundidos Rato Corações

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

Um Modelo de Cardiologia remodela Através constrição da Aorta Abdominal em Ratos

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

Ressonância magnética cardíaca na Tesla 7

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

Transferência de calor esofágico para controle da temperatura do paciente e gerenciamento de temperatura alvo

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

Isolamento e purificação de Pericytes cardíacos murinos

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