Биологический кардиостимулятор — это один или несколько типов клеточных компонентов, которые при «имплантации или инъекции в определенные области сердца» производят определенные электрические стимулы, которые имитируют естественные кардиостимуляторные клетки организма . [1] Биологические кардиостимуляторы показаны при таких проблемах, как блокада сердца , медленный сердечный ритм и асинхронные сокращения желудочков сердца . [2] [3]
Биологический кардиостимулятор предназначен в качестве альтернативы искусственному кардиостимулятору , который используется человеком с конца 1950-х годов. Несмотря на их успех, за последние десятилетия возникло несколько ограничений и проблем с искусственными кардиостимуляторами, таких как перелом электрода или повреждение изоляции , инфекция , повторные операции по замене батареи и венозный тромбоз . Необходимость в альтернативе наиболее очевидна у детей, включая недоношенных новорожденных , у которых несоответствие размеров и тот факт, что провода кардиостимулятора не растут вместе с детьми, являются проблемой. [1] Для смягчения многих из этих проблем был принят более биологический подход. Однако имплантированные клетки биологического кардиостимулятора по-прежнему обычно нуждаются в дополнении искусственным кардиостимулятором, пока клетки формируют необходимые электрические соединения с сердечной тканью. [1]
Первый успешный эксперимент с биологическими кардиостимуляторами был проведен группой Арджанга Рухпарвара в Ганноверской медицинской школе в Германии с использованием трансплантированных клеток сердечной мышцы плода . Впервые этот процесс был представлен на научных сессиях Американской кардиологической ассоциации в Анахайме в 2001 году, а результаты были опубликованы в 2002 году . [4] Несколько месяцев спустя группа Эдуардо Марбана из Университета Джонса Хопкинса опубликовала первый успешный генно-терапевтический подход к генерации кардиостимулирующей активности в кардиомиоцитах взрослых, которые в противном случае не являлись бы кардиостимуляторами , с использованием модели морской свинки . [5] Исследователи постулировали наличие скрытой кардиостимуляторной способности в нормальных клетках сердечной мышцы . Эта потенциальная способность подавляется внутренним выпрямительным калиевым током Ik1, кодируемым геном Kir2, который не экспрессируется в клетках кардиостимуляторов . При специфическом ингибировании Ik1 ниже определенного уровня наблюдалась спонтанная активность кардиомиоцитов, схожая с моделью потенциала действия настоящих клеток кардиостимуляторов.
Между тем, были обнаружены другие гены и клетки, включая клетки сердечной мышцы, полученные из эмбриональных стволовых клеток , гены «HCN», которые кодируют дикий тип тока водителя ритма I(f). Группа Майкла Розена продемонстрировала, что трансплантация трансфицированных HCN2 человеческих мезенхимальных стволовых клеток (hMSC) приводит к экспрессии функциональных каналов HCN2 in vitro и in vivo , имитируя сверхэкспрессию генов HCN2 в сердечных миоцитах . [6] В 2010 году группа Рухпарвара снова продемонстрировала тип биологического водителя ритма, на этот раз показав, что путем инъекции гена «аденилатциклазы» в сердечную мышцу можно создать биологический водитель ритма. [7]
В 2014 году ген под названием TBX18 был неинвазивно применен для ускорения частоты сердечных сокращений, вызванных блокадой сердца. [2] В более поздних исследованиях 2015 года был опробован оптогенетический подход на сердце крысы, где светочувствительный трансген ( каналродопсин -2) вводился в несколько участков желудочка крысы , который, кроме того, мог одновременно стимулировать места инъекций облучением синим светом. [3]