Sztuczny rozrusznik serca w przyszłości będzie laserem?

Od momentu odkrycia laseru, ludzie praktycznie nie ustają w wynajdowaniu dla niego coraz to nowych zastosowań i zadań, zazwyczaj niespodziewanych i nieprzewidywanych. Jedną z takich nieoczekiwanych funkcji być może okaże się wkrótce zastąpienie impulsów elektrycznych u ludzi chorych na serce, które w obecnej chwili są wywoływane dzięki działaniu kardiostymulatora. A przynajmniej takie są nadzieje zespołu naukowego, kierowanego przez Andrew Rollinsa, z Case Western Reserve University.

Podczas gdy tego roku świętujemy już 50 lat istnienia laseru, artykuł, który ukazał się w piśmie naukowym Nature Photonics przedstawia rozwinięcie konceptu, który pojawił się w wyniku dość dziwnej obserwacji z 2008 roku. Odkryto wtedy, że bardzo szybkie impulsy femtosekundowe (czyli jedna biliardowa część sekundy), pochodzące z laseru tytanowo-szafirowego, mogły regulować aktywność małej grupy kardiomiocytów, czyli tych komórek mięśnia sercowego, które się skuraczają równocześnie, aby wytworzyć w ten sposób bicie serca.

Można więc było wyobrazić sobie posłużenie się takimi impulsami, w celu stworzenia takiego stymulatora serca, który nie potrzebowałby żadych elektrod w kontakcie z sercem, co pozwoliłoby uniknąć niektórych problemów, z jakimi musimy mierzyć się na dzień dzisiejszy.

Na nieszczęście, impulsy wywoływane laserem użytym w doświadczeniach, były zbyt intensywne i uszkadzały komórki. To właśnie się teraz zmieniło, a to dzięki pracom dokonanym prze zespół naukowców amerykańskich, którym przewodził Andrew Rollins z Case Western Reserve University. Dlatego też badacze wykorzystali w swoich badaniach 0,3mm2 przewodu sercowego embrionów przepiórki, które poddali działaniu nieszkodliwych impulsów milisekundowych w podczerwieni (1,88 mikrometra), pochodzących z diody laserowej.

Impulsy te zostały wywołane z oddalenia, dzięki pomocy włókna optycznego o średnicy 400 mikrometrów. Impulsy te wysyłano co 2 sekundy. Okres ten odpowiada mniej więcej temu okresowi, który występuje podczas regularnego bicia serca embrionu przepiórki, które zaczyna zresztą bić mniej więcej po około 40 godzinach od inkubacji. W dokonanych doświadczeniach, użyto embrionów, które miały od 53 do 59 godzin od momentu inkubacji.

Synchronizacja między okresem impulsów laserowych i biciem serca tych embrionów została dokonana prawidłowo. Aby to udowodnić, wystarczyło pokazać, że kiedy zmienia się okresowość występowania impulsów laserowych, z okresu co 2 sekundy na okres co 3 sekundy, a później znów następuje powrót do okresu 2-sekundowego, rytm bicia serca embrionów przepiórki podążał stale za tym tempem.

Nie zaobserwowano także żadnej zauważalnej szkody wyrządzonej kardiomiocytom, nawet pod mikroskopem elektronicznym, o ile emisja pozostawała pod określonym progiem 0,81 J.cm–2.

Jeśli tylko będzie można przenieść tę sytuację na człowieka, będzie można także regulować rytm serca ludzkiego przy pomocy podobnych impulsów laserowych. Jeszcze nie jesteśmy na tym etapie, a to prawdopodobnie z tego powodu, iż jeszcze nie rozumiemy zbyt dobrze, dlaczego te impulsy oddziaływują na potentcjalną akcję komórek sercowych.

Naukowcy myślą teraz o stworzeniu gradientu termicznego, który otwierałby kanały jonowe w membranach kardiomiocytów. Jaka by nie była przyczyna, jeśli impulsy laserowe mogą być skuteczne, i to mimo matowości tkanki serca, pozwoliłoby to być może na uniknięcie komplikacji, które czasami się zdarzają przy zatosowaniu elektrod tradycyjnych sztucznych rozruszników serca, które muszą być w kontakcie z tym organem. Poza tym, impulsy świetlne są o wiele łatwiejsze do skoncentrowania na ściśle określonych strefach mięśnia sercowego.