通过在小鼠心脏中应用光遗传学多位点光刺激进行高级心律管理

最潜在的心脏颤动和除颤的物理特征尚不完全清楚。光遗传学可以提供一种在控制良好的环境中更深入地了解心脏现象的方法。使用微型LED的局部光刺激允许特定心脏组织区域的创新。

这种靶向刺激是开发心脏温和抗算术治疗方法的新工具。所示方案可用于研究心律失常期间的心脏行为，尤其是在终止期间。在前瞻性方面，所开发的技术可用于研究更具临床相关性的大型动物模型。

在每次实验之前，用完全脱矿化的水清洁所有试管。在室温下用碳原给甲状腺溶液充气30分钟，并用氢氧化钠和盐酸将pH值调节至7.3。用水热泵将灌注系统加热至37摄氏度。

通过使用额外的加热元件（如防水加热电缆）来保持水浴内的灌注液温度恒定。将500毫升每种甲状腺溶液添加到相应的储液器中，并通过灌注系统运行甲状腺溶液来使管和气泡阱脱气，直到在管中或气泡阱中不再看到被捕获的气泡。在整个实验过程中，在储液库中继续用碳原给甲状腺溶液充气，以确保灌注液的pH值在灌注后期保持稳定。

取出心脏后，在立体显微镜下进行精细准备。将主动脉连接到钝针上，并用缝合材料固定血管。作为对照，通过针头将冰冷的甲状腺溶液注射到心脏中，并检查心脏是否安装得很紧。

将安装的心脏转移到灌注系统，并确保灌注液流动以防止空气进入心脏，同时将针头与气泡阱连接。检查心脏是否在水浴中被甲状腺溶液覆盖，并在几分钟内跳动。将其中一个心电图电极尽可能靠近心脏表面，以确保良好的信号质量。

将第二个心电图电极悬浮在甲状腺溶液中，确保记录心电图。将微型 LED 阵列放在感兴趣的区域。将灌注改为低钾甲状腺和青霉，并仔细阅读心脏 15 至 30 分钟。

为了诱发心律失常，用 LED 1 和 LED 2 照亮心脏，用 20 到 50 个光脉冲串亮心脏，频率为 25 到 35 赫兹，脉冲持续时间为 2 到 15 毫秒，光强度为每平方毫米 2.8 毫瓦。重复该过程，直到诱发心律失常。一旦目视检测到持续的心律失常，使用阵列的三个、六个或九个微型 LED 以 15 毫安桥墩的脉冲电流施加不同宽度和频率的脉冲脉冲。

如果在五次基于微型 LED 阵列的除颤试验后心律失常继续存在，请将尝试归类为不成功，并使用具有相同时序参数的 LED 一和 LED 二开始备用除颤。用布比他汀溶液灌注心脏，并等待发生机械解耦，当心脏停止跳动时完成，但心电图信号仍然可以测量。给予一毫升电压染料，在朗根道夫灌注的气泡阱中快速推注4-A-N-B-D-Q-P-Q，等待5至10分钟，让染料均匀地细读心脏。

打开 LED 三。将相机聚焦在心脏表面，并施加每平方毫米1.27毫瓦的光功率。关闭实验室灯并开始记录，通过将获得的信号的频率与记录的心电图的频率进行比较，确保正在获取光信号。

对11只小鼠进行了一系列不同频率，微型LED数量和脉冲持续时间的实验，表明1至20毫秒的脉冲可以以不同的成功率进行除颤。在18赫兹和20赫兹的除颤频率下，脉冲持续时间为1毫秒和20毫秒的9个LED的成功率显着提高，更接近所有心律失常的分析平均心律失常频率22.55，误差区间为正负四点零三赫兹。这里显示了两种不同的除颤尝试，频率为 14 赫兹，以及它们的 ECG 记录和各自的频谱图。

在具有30毫秒脉冲的除颤示例中，心律失常的主频率略有增加，直到光刺激开始。VF变成VT，其中主频率降至14赫兹，然后终止失败，并以24赫兹的主频率恢复心律失常行为。在第二个示例中，第一段显示了主频率为 23 赫兹的 VT，在光刺激开始之前，它的谐波分量为20毫秒。

第三段显示成功终止，导致基频为 3.5 赫兹的正常正弦节律和由此产生的谐波。使用高速相机的光学映射显示，在正常窦性心律期间，心脏单次跳动期间荧光强度发生了变化。灌注时间必须保持所有条件以保持心脏健康，即温度、pH 值和氧化需要保持恒定。

尤其重要的是，甲状腺溶液不要空着，因为系统中的气泡可能会损害心脏。微观现实阵列提供了极大的灵活性。您可以针对心脏的不同位置，甚至可以在一个实验中组合多个阵列，以正确终止心律失常。