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

Los autores desean agradecer a Marion Kunze y Tina Althaus por su excelente apoyo técnico durante los experimentos. La investigación que ha dado lugar a los resultados ha recibido financiación del Séptimo Programa Marco FP7/2007-2013 de la Comunidad Europea en virtud del acuerdo de subvención número HEALTH-F2-2009-241526. El apoyo también fue proporcionado por el Centro Alemán de Investigación Cardiovascular, DZHK e.V. (Proyecto MD28), el sitio asociado Goettingen, la Fundación Alemana de Investigación CRC 1002 (proyecto C03) y la Sociedad Max Planck. Este trabajo fue apoyado en parte por BrainLinks-BrainTools, Cluster of Excellence financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG, número de subvención EXC 1086).

Todos los experimentos siguieron estrictamente la regulación de bienestar animal, de acuerdo con la legislación alemana, las estipulaciones locales y de acuerdo con las recomendaciones de la Federación Europea de Asociaciones de Ciencia de Animales de Laboratorio (FELASA). La solicitud de aprobación de experimentos con animales ha sido aprobada por la autoridad responsable de bienestar animal, y todos los experimentos fueron reportados a nuestros representantes de bienestar animal.
1. Prepar...

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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>

Un tratamiento exitoso de las taquiarritmias cardíacas es clave para la terapia cardíaca. Sin embargo, los mecanismos biofísicos subyacentes a la iniciación, perpetuación y terminación de la arritmia no se comprenden completamente. Por lo tanto, la investigación cardíaca tiene como objetivo optimizar la terapia de choque eléctrico hacia una terminación más suave de las arritmias, aumentando así la calidad de vida de los pacientes 28,29,30,31.</su...

Las primeras investigaciones de la dinámica espacio-temporal durante la arritmia revelaron que los complejos patrones eléctricos durante la fibrilación cardíaca son impulsados por ondas de excitación giratorias similares a vórtices1. Este hallazgo proporcionó nuevos conocimientos sobre los mecanismos subyacentes de las arritmias, que luego condujeron al desarrollo de nuevas terapias de terminación eléctrica basadas en la excitación multisitio del miocardio 2,3,4. Sin embargo, los tratamientos que utilizan estimulación del campo eléctrico no son locales y pueden inervar todas las células excitables circundantes, incluido el tejido muscular, causando daño celular y tisular, así como dolor intolerable. A diferencia de las terapias eléctricas, los enfoques optogenéticos proporcionan una técnica específica y protectora de tejidos para evocar potenciales de acción de cardiomiocitos con alta precisión espacial y temporal. Por lo tanto, la estimulación optogenética tiene el potencial de un control mínimamente invasivo de los patrones de activación caótica durante la fibrilación cardíaca.
La introducción del canal iónico sensible a la luz canalrodopsina-2 (ChR2) en células excitables mediante manipulación genética 5,6,7, permitió la despolarización del potencial de membrana de las células excitables mediante fotoestimulación. Se han desarrollado varias aplicaciones médicas, incluyendo la activación de redes neuronales, el control de la actividad cardíaca, la restauración de la visión y la audición, el tratamiento de lesiones medulares, y otras 8,9,10,11,12,13,14. La aplicación de ChR2 en cardiología tiene un potencial significativo debido a su tiempo de respuesta de milisegundos15, lo que lo hace muy adecuado para el control dirigido de la dinámica cardíaca arrítmica.
En este estudio, se muestra la fotoestimulación multisitio de corazones intactos de un modelo de ratón transgénico. En resumen, se estableció una línea de ratones alfa-MHC-ChR2 transgénicos en el ámbito del Séptimo Programa Marco FP7/2007-2013 de la Comunidad Europea (HEALTH-F2-2009-241526) y amablemente proporcionada por el Prof. S. E. Lehnart. En general, los machos adultos transgénicos C57/B6/J, que expresaban Cre-recombinasa bajo control de alfa-MHC se emparejaron para aparearse con hembras B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm27.1(CAG-COP4*H134R/tdTomato)Hye/J. Dado que el casete STOP cardíaco se eliminó en la segunda generación, la descendencia mostró una expresión estable de MHC-ChR2 y se utilizó para mantener colonias fotosensibles cardíacas. Todos los experimentos se realizaron con ratones adultos de ambos sexos a una edad de 36 a 48 semanas. La iluminación se logra utilizando una matriz de micro-LED de 3 x 3, fabricada como se describe en16,17, excepto que la carcasa a base de silicio y las fibras cortas de vidrio óptico no están implementadas. Su primer uso en una aplicación cardíaca se encuentra en18. Se ha aplicado una matriz lineal de micro-LED basada en una tecnología de fabricación similar como sonda penetrante para la estimulación cardíaca19. Los micro-LED están dispuestos en una matriz de 3 x 3 a un paso de 550 μm, proporcionando una alta resolución espacial y una alta potencia radiante en un área muy pequeña. Los autores demuestran en este trabajo una fotoestimulación multisitio local versátil que puede abrir el camino para desarrollar nuevos métodos de terapia antiarrítmica.
El siguiente protocolo experimental implica una perfusión de Langendorff retrógrada ex vivo, para la cual la aorta canulada funciona como entrada de perfusión. Debido a la presión de perfusión aplicada y la contracción cardíaca, el perfusión fluye a través de las arterias coronarias, que se ramifican de la aorta. En el trabajo presentado, el corazón se perfunde utilizando una configuración de presión constante lograda elevando los reservorios de perfusión a 1 m de altura, equivalente a 73.2 mmHg, lo que produce un caudal de 2.633 ± 0.583 mL / min. Dos tipos de solución de Tyrode se utilizan como perfusión durante el experimento. La solución regular de Tyrode apoya un ritmo sinusal estable, mientras que la solución de Low-K+ Tyrode se mezcla con Pinacidil para permitir la inducción de arritmia en corazones murinos. El uso de un baño de agua hexagonal permite la observación del corazón a través de seis ventanas planas diferentes, lo que permite el acoplamiento de varios componentes ópticos con menos distorsión por refracción.

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	<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

Las taquiarritmias ventriculares son una causa importante de mortalidad y morbilidad en todo el mundo. La desfibrilación eléctrica mediante descargas eléctricas de alta energía es actualmente el único tratamiento para la fibrilación ventricular potencialmente mortal. Sin embargo, la desfibrilación puede tener efectos secundarios, como dolor intolerable, daño tisular y empeoramiento del pronóstico, lo que indica una necesidad médica significativa para el desarrollo de estrategias de manejo del ritmo cardíaco más suaves. Además de los enfoques eléctricos reductores de energía, la optogenética cardíaca se introdujo como una herramienta poderosa para influir en la actividad cardíaca utilizando canales iónicos de membrana sensibles a la luz y pulsos de luz. En el presente estudio, se describirá un método robusto y válido para la fotoestimulación exitosa de corazones murinos intactos perfundidos por Langendorff basado en la estimulación multisitio aplicando una matriz de 3 x 3 de micro diodos emisores de luz (micro-LED). El mapeo óptico simultáneo de las ondas de voltaje de la membrana epicárdica permite la investigación de los efectos de la estimulación específica de la región y evalúa la actividad cardíaca recién inducida directamente en el sitio. Los resultados obtenidos muestran que la eficacia de la desfibrilación depende en gran medida de los parámetros elegidos para la fotoestimulación durante una arritmia cardíaca. Se demostrará que el área iluminada del corazón juega un papel crucial para el éxito de la terminación, así como cómo se puede lograr el control específico de la actividad cardíaca durante la iluminación para modificar los patrones de arritmia. En resumen, esta técnica ofrece la posibilidad de optimizar la manipulación del mecanismo in situ en el camino hacia el control de retroalimentación en tiempo real del ritmo cardíaco y, con respecto a la especificidad de la región, nuevos enfoques para reducir el daño potencial al sistema cardíaco en comparación con el uso de aplicaciones de descargas eléctricas no específicas.

El protocolo permite la inducción de arritmias ventriculares en corazones murinos intactos mediante pulsos de fotoestimulación generados por LED 1 y LED 2 (Figura 1) con una frecuencia f ind entre 25 Hz y 35 Hz y una duración de pulso Wind entre 2 ms y 10 ms. Tenga en cuenta que el objetivo de tales pulsos de luz rápidos no es capturar el ritmo cardíaco, sino desequilibrar la actividad cardíaca para que se puedan generar ondas eléctricas erráticas, que luego fac...

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

Este trabajo informa un método para controlar el ritmo cardíaco de corazones murinos intactos de ratones transgénicos con canalrodopsina-2 (ChR2) utilizando fotoestimulación local con una matriz de micro-LED y mapeo óptico simultáneo del potencial de la membrana epicárdica.

Manejo avanzado del ritmo cardíaco mediante la aplicación de fotoestimulación optogenética multisitio en corazones murinos

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

La fibrilación y la desfibrilación cardíacas más subyacentes físicas siguen sin entenderse completamente. La optogenética puede ofrecer una forma de obtener más información sobre los fenómenos cardíacos en un entorno bien controlado. La estimulación de la luz local mediante micro LED permite la innovación de áreas específicas de tejido cardíaco.Esta estimulación dirigida es una nueva herramienta para desarrollar métodos de terapia antiaritmética suaves para el corazón. El protocolo mostrado se puede utilizar para estudiar el comportamiento del corazón durante la arritmia cardíaca y especialmente durante la terminación. En perspectiva, las técnicas desarrolladas se pueden utilizar para estudiar modelos animales grandes clínicamente más relevantes.Antes de cada experimento, limpie todos los tubos con agua totalmente desmineralizada. Airear las soluciones tiroideas con carbógeno durante 30 minutos a temperatura ambiente y ajustar el pH a 7,3 con hidróxido de sodio y ácido clorhídrico. Caliente el sistema de perfusión a 37 grados centígrados con una bomba de calor de agua.Mantenga constante la temperatura de perfusión dentro del baño de agua utilizando un elemento calefactor adicional, como un cable calefactor impermeable. Agregue 500 mililitros de cada solución tiroidea al depósito correspondiente y desairee los tubos, así como la trampa de burbujas, pasando la solución tiroidea a través del sistema de perfusión hasta que no se vean más burbujas de aire atrapadas en los tubos o en la trampa de burbujas. Continuar aireando las soluciones tiroideas durante todo el experimento en los reservorios con carbógeno para asegurar que el pH del perfusión permanezca estable más adelante durante la perfusión.Después de extraer el corazón, realice la preparación fina bajo un microscopio estereoscópico. Coloque la aorta en la aguja roma y fije el vaso con material de sutura. Como control, inyecte una solución tiroidea helada a través de la aguja en el corazón y verifique que el corazón esté bien montado.Transfiera el corazón montado al sistema de perfusión y asegúrese de que el perfusión fluya para evitar que el aire entre en el corazón mientras conecta la aguja con la trampa de burbujas. Compruebe que el corazón está cubierto con solución tiroidea en el baño de agua y que está latiendo en pocos minutos. Coloque uno de los electrodos de ECG lo más cerca posible de la superficie del corazón para garantizar una buena calidad de señal.Suspenda el segundo electrodo de ECG en la solución tiroidea, asegurándose de que se esté registrando el ECG. Coloque la matriz de micro LED en el área de interés. Cambie la perfusión a tiroides baja en potasio con penecidle y examine el corazón durante 15 a 30 minutos.Para inducir arritmia, ilumine el corazón con LED uno y LED dos con un tren de 20 a 50 pulsos de luz con una frecuencia de 25 a 35 hercios, duración del pulso de dos a 15 milisegundos e intensidad de luz de 2.8 milivatios por milímetro cuadrado. Repita el proceso hasta que se induzca la arritmia. Una vez que se detecta visualmente una arritmia sostenida, aplique una ráfaga de pulsos con diferentes anchos y frecuencias utilizando tres, seis o nueve micro LED de la matriz a una corriente pulsante de muelles de 15 miliamperios.Si la arritmia continúa después de cinco ensayos de desfibrilación basados en matriz de micro LED, clasifique el intento como fallido y comience la desfibrilación de respaldo, utilizando el LED uno y el LED dos con los mismos parámetros de sincronización. Perfundir el corazón con la solución de blebbistatina y esperar hasta que se produzca el desacoplamiento mecánico, lo que se logra cuando el corazón deja de latir, pero una señal de ECG aún es medible. Administre el colorante de voltaje de un mililitro, colorante 4-A-N-B-D-Q-P-Q como un bolo en la trampa de burbujas de la perfusión de Langendorff y espere de cinco a 10 minutos para permitir que el tinte examine el corazón de manera uniforme.Encienda el LED tres. Enfoca la cámara en la superficie del corazón y aplica 1,27 milivatios por milímetro cuadrado de potencia óptica. Apague las luces del laboratorio y comience a grabar, asegurándose de que se está adquiriendo una señal óptica comparando la frecuencia de la señal obtenida con la frecuencia del ECG grabado.Se probaron una serie de experimentos con diferentes frecuencias, número de micro LED y duraciones de pulso para 11 ratones, demostrando que pulsos de 1 a 20 milisegundos pueden desfibrilar con diferentes tasas de éxito. Hay un aumento significativo en la tasa de éxito de los nueve LED con duraciones de pulso de un milisegundo y 20 milisegundos a una frecuencia de desfibrilación de 18 y 20 hercios, que está más cerca de la frecuencia de arritmia media analizada de 22.55 de todas las arritmias con un intervalo de error de más o menos cuatro punto cero tres hercios. Aquí se muestran dos intentos diferentes de desfibrilación con una frecuencia de 14 hercios con sus registros de ECG y sus respectivos espectrogramas.En un ejemplo de desfibrilación con pulsos de 30 milisegundos, la frecuencia dominante de la arritmia aumenta ligeramente hasta que comienza la fotoestimulación. La FV se convierte en una TV donde la frecuencia dominante cae a 14 hercios seguida de una terminación fallida y vuelve al comportamiento arrítmico con una frecuencia dominante de 24 hercios. En el segundo ejemplo, el segmento uno muestra una TV con frecuencia dominante de 23 hercios y sus componentes armónicos hasta que comienza la fotoestimulación, con un ancho de pulso de 20 milisegundos.El segmento tres muestra una terminación exitosa que conduce a un ritmo sinusal normal con una frecuencia fundamental de 3,5 hercios y los armónicos resultantes. El mapeo óptico con cámaras de alta velocidad mostró un cambio en la intensidad de fluorescencia durante un solo latido del corazón durante un ritmo sinusal normal. La duración de la perfusión debe mantener todas las condiciones para mantener el corazón sano, a saber, la temperatura, el valor del pH y la oxidación deben permanecer constantes.Es particularmente importante que la solución tiroidea no se vacíe ya que las burbujas de aire en el sistema pueden dañar el corazón. La matriz de micro realidad ofrece una gran flexibilidad. Puede apuntar a diferentes ubicaciones del corazón o incluso combinar múltiples matrices en un experimento para terminar correctamente la 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

Evaluación de la función cardiaca y Energética en los corazones de ratón aislado utilizando 31 P espectroscopía de RMN

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

Investigación

Medicina

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

Prueba de esfuerzo cardíaco inducida por dobutamina y supervisado por cateterismo cardíaco en ratones

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

Monitoreo de la Presión de Oclusión predice con precisión las venas pulmonares durante la ablación 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

Intramiocárdica celular de la entrega: Las observaciones en murinos 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 Ritmo en desarrollo típico y 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

Inducción y Evaluación de la isquemia-reperfusión en perfundidos Langendorff corazones de ratas

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 modelo de remodelamiento cardiaco A través de la constricción de la aorta abdominal en ratas

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

Resonancia magnética cardiaca en 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

Transferencia de calor del esófago para el Control de temperatura del paciente y gestión de la temperatura objetivo

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

Aislamiento y Purificación de Pericitas Cardíacos Murinos

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