Специалисты из Института биофизики будущего МФТИ совместно с другими учеными разработали альтернативный метод лечения аритмий, который не требует применения кардиостимуляторов. Речь идет о биоинженерных структурах, созданных из клеток и управляемых световым сигналом посредством белка канального родопсина-2. Чтобы оценить эффективность своего биологического стимулятора, исследователи провели испытания на сердце крысы, что стало важным этапом на пути к его применению в клинической практике. Исследование было осуществлено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 25-65-00037) и опубликована в журнале «Патология кровообращения и кардиохирургия».
Аритмии, включая нарушения функции синусового узла и атриовентрикулярную блокаду (когда передача электрического импульса от предсердий к желудочкам затруднена), по-прежнему являются одними из наиболее серьезных и опасных проблем для здоровья. Эти состояния характеризуются критическими сбоями в системе электрической проводимости сердца, препятствующими его нормальной работе, перекачке крови и представляющими опасность для жизни.
Установка искусственного электрокардиостимулятора (ЭКС) является наиболее эффективным способом коррекции сердечных аритмий. Это устройство стало настоящим технологическим достижением и позволило спасти жизни миллионов людей. Однако, несмотря на свою эффективность, ЭКС не лишен недостатков и не является идеальным решением. Современные технологии кардиостимуляции направлены на то, чтобы сделать лечение более безопасным и устранить связанные с ним проблемы и риски, такие как травматичные хирургические вмешательства, необходимость регулярного обслуживания прибора и вероятность его неисправности.).
Разработка биорезорбируемых микроустройств представляет собой одно из наиболее многообещающих направлений. Эти приборы со временем самостоятельно распадаются в организме и могут применяться для временной поддержки сердечной деятельности. Так, исследователям уже удалось использовать свет для регулирования сердечного ритма: специальные кремниевые частицы, помещенные в сердечную ткань, под воздействием света производят электрические импульсы. Альтернативным решением являются миниатюрные устройства, приблизительно двух миллиметров в размере, которые получают энергию посредством беспроводной зарядки. По мере восстановления сердечной функции и возобновления его нормальной работы, эти устройства полностью рассасываются, что является удобным и безопасным способом, поскольку исключает необходимость повторного хирургического вмешательства для их удаления.
Несмотря на это, даже у подобных технологических разработок существуют недостатки. Поскольку они со временем деградируют, их срок службы ограничен, и они могут проявлять непостоянную активность. Помимо этого, беспроводная передача энергии, применяемая в них, может быть подвержена сбоям из-за движения пользователя или внешних факторов, а сама технология остается дорогостоящей и нуждается в продолжительных клинических исследованиях.
В связи с этим, специалисты лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ совместно с врачами из клинических центров Москвы и Новосибирска, обобщив передовой опыт, разработали инновационную технологию – гибридный оптический кардиостимулятор. Концепция предполагает применение модифицированных клеток непосредственно в сердце для формирования новой ткани, которая будет являться полноценной и функциональной частью органа. Для контроля над такой тканью используется оптогенетика – методика, дающая возможность управлять клеточной деятельностью посредством светового воздействия. Она основана на применении специальных белков, чувствительных к свету (например, родопсина, присутствующего в человеческом глазу), которые способны изменять свое состояние под воздействием лучей определенной длины волны. При активации эти белки-переключатели изменяют свойства клеточной мембраны, в которой они расположены, что позволяет возбуждать клетку, наоборот, снижать ее активность или вызывать другие реакции.
Благодаря тому, что стимулятор содержит живые клетки, он способен расти и развиваться вместе с организмом пациента, обеспечивая наиболее естественную работу. При этом, медики могут точно регулировать сердечный ритм удаленно, используя световые сигналы.
Для оценки эффективности нового светочувствительного кардиостимулятора провели эксперимент на изолированном сердце лабораторной крысы. В исследовании применяли клетки, выделенные из сердца новорожденных крысят, а также человеческие кардиомиоциты, культивированные из стволовых клеток. Для обеспечения светочувствительности в клетки внедрили ген, отвечающий за синтез белка, реагирующего на свет – канального родопсина-2. Это позволило клеткам демонстрировать контролируемые сокращения, генерируя электрический импульс при воздействии синего света. После этого модифицированные клетки разместили на полимерных подложках, предназначенных для улучшения приживления и фиксации в организме. Полученную конструкцию протестировали на сердце крысы, используя синий свет для регулирования сокращений имплантированных клеток.
Непосредственно после имплантации клеток на поверхность сердца была проведена проверка взаимодействия между органом и созданной «заплаткой». На первом этапе наблюдалась рассинхронизация: сердце поддерживало свой обычный ритм, в то время как имплантируемая тканевая структура функционировала в ином режиме. Под воздействием синего света имплантат демонстрировал контролируемое сокращение, однако сердце не реагировало на него и не изменяло свой ритм. Таким образом, первоначально связь между сердцем и новой тканью еще не сформировалась, что препятствовало их совместной работе.
Со временем обстановка претерпела изменения: взаимодействие между имплантированными клетками и сердечной тканью стало возможным, что открыло возможность управления сокращениями органа посредством светового воздействия. Имплантированные фоточувствительные клетки успешно интегрировались и функционировали как настоящий биостимулятор, управляемый светом.
«Мы стремились разработать гибридный биологический кардиостимулятор, работающий под воздействием света. Концепция заключалась в сочетании клеточной терапии и оптогенетических технологий. Результаты эксперимента продемонстрировали интеграцию клеток на поверхность изолированного сердца крысы: световая стимуляция определяла частоту сокращений, что свидетельствует о потенциальной возможности использования этих клеток в качестве водителей ритма. Наблюдения показали, что такой фотоуправляемый пейсмейкер устанавливает функциональную связь с миокардом приблизительно через 35 минут и способен генерировать сердечный ритм в ответ на световое воздействие на клетки», — сообщила Елена Турчанинова, младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ.
Научная статья: Джабраилов В.Д., Бричагина А.А., Кононова Д.В., Турчанинова Е.А., Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Агладзе К.И., Романов А.Б. Фотоуправляемый тканеинженерный кардиостимулятор, созданный на основе биологических материалов: подтверждение концепции на ex vivo модели сердца крысы. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2025;29(4):33-43. https://doi.org/10.21688/1681-3472-2025-4-33-43
Помимо специалистов Института биофизики будущего МФТИ, в исследовании также участвовали их коллеги из Национального медицинского исследовательского центра имени Е.Н. Мешалкина и Московского областного научно-исследовательского клинического института имени М.Ф. Владимирского.
Предоставлено Центром научной коммуникации Московского физико-технического института