Генетический кардиостимулятор работает от света

16.07.2015

Хотя электрокардиостимуляторы спасают множество жизней - по статистике, более 3 млн людей по всему миру носят в себе такие устройства - их использование сопряжено с определенными неудобствами. Электрокардиостимулятор, или искусственный водитель ритма, помогает восстановить нормальную частоту и периодичность сердечных сокращений - в противном случае расстройства ритма могут привести к довольно тяжелым последствиям для всего организма, вплоть до смерти. Но для того, чтобы водитель ритма заработал, его электроды нужно вживить в сердце, провода от них подключить к генератору импульсов, который вживляют под кожу.

Со временем кардиостимуляторы становились все меньше, а электроды с проводками стало возможным вводить в сердце с помощью катетера просто через вены. Однако каким бы маленьким ни был стимулятор и какими бы тонкими ни были его провода, ему все равно нужно менять батарейки, а это означает неизбежную операцию, пусть и небольшую. Кроме того, проводки с электродами, тянущиеся к сердцу, могут изнашиваться, и время от времени их тоже нужно менять. С другой стороны, из-за необходимости тянуть провода мы не можем поставить стимулятор, куда вздумается, и не можем использовать много точек для стимуляции. Самому сердцу не всегда "нравится", что его стимулируют внешним устройством. Наконец, если речь идет о детях, то им не всегда вообще можно поставить искусственный водитель ритма.

Уди Нусинович (Udi Nussinovitch) и Лиор Гепстейн (Lior Gepstein) из Израильского технологического института Технион предложили своеобразную модель кардиостимулятора, у которого нет ни проводов, ни электродов, ни батареек и который работает в буквальном смысле на свету. По сути, никакого стимулятора в виде внешнего устройства тут вообще нет - исследователи ввели в клетки сердца оптогенетическую модификацию, что и позволило управлять сердечными сокращениями. Общий смысл оптогенетических методов в том, что в клетку внедряется ген светочувствительного белка - такой белок, встроившись в клеточную мембрану, в ответ на световой импульс открывает в мембране ионные каналы. А как мы знаем, именно перераспределение ионов с обеих сторон мембраны и создает электрохимический импульс. Оптогенетика нашла широчайшее использование в нейробиологии: внедрив в нейрон светочувствительный белок, мы можем произвольно, с помощью световых сигналов, генерировать сигнал в цепочке нейронов.

Но ведь и сердечный ритм зависит от электрохимических импульсов (напомним, что, хотя в сердце и есть волокна вегетативной нервной системы, некоторые особенные клетки миокарда могут сами генерировать ритмические сигналы, формируя так называемую проводящую систему сердца). И ничто не мешает внедрить оптогенетический механизм в сердце.

Исследователи так и сделали: с помощью специального "одомашненного" вируса они внедрили в желудочки сердца крыс водорослевый светочувствительный белок ChR2 (channelrhodopsin-2), реагирующий на синий свет. (Одноклеточным зеленым водорослям, вроде хламидомонад, этот белок помогает искать более освещенные места.) Авторы пишут, что они могли настраивать частоту сердечных сокращений животных с помощью синих вспышек. Вирус позволяет доставить белок в самые разные участки сердечной мышцы, поэтому контролировать сердце можно с большей эффективностью, ведь на внешний сигнал здесь отзываются сразу много клеток из разных мест.

Чтобы "включить" оптобелок, не нужно никаких электродов: синий свет снаружи, хотя и довольно плохо проникает сквозь живые ткани, все же может дойти до сердца. Но - только если речь идет о крысе. У мало-мальски крупного животного, не говоря уже о человеке, сердце лежит глубже, так что здесь нужно подумать о том, световая волна какой длины сможет до него добраться и, соответственно, какой понадобится светочувствительный белок. Здесь могли бы подойти красные и инфракрасные области спектра, и, если дело дойдет до экспериментов с приматами, именно такие волны и будут использовать.

Стоит заметить, впрочем, что есть и другие подходы к созданию беспроводного кардиостимулятора. Около года назад мы писали о разработке сотрудников Стэнфордского университета, которые предложили поддерживать работу ритмоводителя с помощью генератора электромагнитных волн, расположенного просто на поверхности тела. Другая идея принадлежит исследователям из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне - они смогли заставить кардиостимулятор работать от самой сердечной мышцы, за счет энергии его сокращений. Но, конечно, оптогенетический подход выглядит самым радикальным - здесь вообще не нужно вживлять в сердце никакого устройства.

<< Назад: Офисное здание могут напечатать на 3D-принтере 16.07.2015

>> Вперед: Флэш-массивы NetApp AFF8000 15.07.2015

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Восприятие музыки зависит от цвета концертного зала 03.03.2026

Восприятие живой музыки традиционно связывают с слухом, однако на впечатления от концерта влияют и другие факторы, включая визуальное оформление и освещение. Вопрос о том, может ли цвет интерьера напрямую изменять то, как мы слышим звук, долго оставался открытым. Недавнее исследование ученых из Технического университета Берлина проливает свет на эту связь и демонстрирует, что визуальная среда способна влиять на субъективное восприятие музыки. Чтобы изучить эффект цвета, исследователи предложили участникам прослушать записи концерта в виртуальных залах, оформленных в красные, зеленые и синие оттенки. Цвета варьировались по яркости и насыщенности, что дало 12 различных вариантов оформления. Поскольку построить физические залы с таким разнообразием цветов было невозможно, использовалась технология виртуальной реальности. Звук воспроизводился через наушники с бинауральной технологией, адаптирующей звучание к движениям головы, что создавало ощущение реального присутствия в зале. Участ ...>>

Chrysalis: концепт межзвездного корабля для 400-летнего путешествия 03.03.2026

Межзвездные полеты остаются одной из самых амбициозных целей человечества. Международный научный проект Chrysalis предложил концепцию космического корабля, способного совершить 400-летнее путешествие с экипажем из 2400 человек. Победивший в конкурсе 2025 года дизайн демонстрирует не только инженерные решения, но и социальную архитектуру, рассчитанную на 16 поколений людей, живущих на борту. В основе концепции лежит вращательная конструкция длиной 58 километров. Такая масштабная система должна создать искусственную гравитацию, достаточную для нормального функционирования организма, без вызывающей дезориентацию центробежной нагрузки. Для стабилизации конструкции проект предусматривает несколько цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях, что минимизирует колебания и вибрации. Сборка корабля планируется в точках Лагранжа - участках космоса, где можно минимизировать расход топлива. Движение корабля предполагается обеспечить прямым термоядерным двигателем на гелии-3 и дейте ...>>

Дети, растущие рядом с природой, обретают крепкие кости 02.03.2026

Влияние окружающей среды на здоровье человека становится все более очевидным, особенно в детском возрасте. Новое исследование, опубликованное в журнале JAMA Network Open, показывает, что близость к природе напрямую связана с крепостью костей у детей. Ученые установили, что у детей, чьи дома окружены природными территориями в радиусе 1000 метров на 25% больше обычного, риск развития крайне низкой плотности костей снижается на 65%. Для проведения исследования были проанализированы данные более 300 детей, проживающих в городских, пригородных и сельских районах Фландрии в Бельгии. Плотность костной ткани у детей в возрасте от четырех до шести лет оценивалась с помощью ультразвуковых методов. Такой подход позволил безопасно и точно измерить состояние костей на ранних этапах формирования скелета. При анализе учитывались ключевые факторы, влияющие на рост и развитие детей: возраст, вес, рост, этническая принадлежность и уровень образования матери. На основании этих параметров исследоват ...>>

Самовосстанавливающаяся инфраструктура будущего 02.03.2026

Современные мосты и бетонные конструкции по всему миру сталкиваются с проблемой устаревания и износа. Многие сооружения, построенные до 1980-х годов, постепенно теряют свою несущую способность, что требует дорогого ремонта или полной замены. Недавние разработки ученых из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) предлагают инновационное решение - систему укрепления бетонных конструкций с помощью "умной стали", способной самостоятельно устранять трещины и повреждения. В основе новой технологии лежит арматура из сплава на основе железа с эффектом памяти формы (Fe-SMA). Этот материал обладает уникальным свойством: при нагревании до 190-200 °C стержни стремятся вернуться к своей первоначальной конфигурации. В бетонной конструкции это создает внутреннее напряжение, которое затягивает трещины и выравнивает деформированные элементы, существенно повышая прочность и долговечность сооружений. Актуальность разработки объясняется критическим состоянием инфрастр ...>>

Поцелуи полезны для здоровья 01.03.2026

Вопрос о том, как социальные связи и близость с партнером отражаются на здоровье человека, привлекает внимание не только психологов, но и специалистов в области микробиологии. Новое исследование показывает, что совместное проживание с любимым человеком может оказывать значительное влияние на микробиом кишечника и общее самочувствие. Доктор Наоми Миддлтон, клинический психологи и эксперт по здоровью кишечника, объяснила, что все аспекты совместной жизни - поцелуи, совместное питание, физическая близость и даже просто пребывание рядом - тесно связаны с поддержанием сбалансированной кишечной микрофлоры. Она подчеркивает, что здоровье экосистемы кишечника во многом определяется социальными взаимодействиями и повседневной близостью с другими людьми. По словам Миддлтон, длительное совместное пребывание с партнером может способствовать увеличению микробного разнообразия в кишечнике, а также снижать воспалительные процессы, связанные со стрессом. Такой эффект обусловлен тем, что микробио ...>>

Случайная новость из Архива Разноцветные фотоны 25.07.2017 Несмотря на огромное количество исследований в области квантовых вычислений, универсальные квантовые компьютеры так и продолжают оставаться исключительно теоретическим понятием. Напомним нашим читателям, что основой любого квантового компьютера или коммуникационной системы являются квантовые биты, называемые кубитами. Кубиты отличаются от традиционных битов тем, что они могут помимо, двух основных состояний, 1 или 0, находиться в третьем состоянии - в состоянии суперпозиции, когда значение кубита равно одновременно 1 и 0. Это, в свою очередь, позволяет при помощи одного кубита выполнять две параллельных вычислительных операции. Соединение отдельных кубитов в вычислительную систему производится при помощи явления квантовой запутанности. При этом, система из двух кубитов уже способна выполнять четыре параллельных оп5ерации, а система из трех кубитов - восемь. А система, количество кубитов в которой исчисляется уже десятками, способна производить вычисления гораздо быстрее, чем традиционные компьютеры. Тем не менее, состояние суперпозиции и явление квантовой запутанности представляют собой чрезвычайно хрупкими вещами, разрушающимися при малейшем воздействии на них извне. И ученые из института INRS (Institut national de la recherche scientifique), Канада, предложили весьма интересную и перспективную альтернативу кубитам - многомерные квантовые биты (quDit), основанные на использовании "разноцветных" фотонов света. Более того, эти исследователи создали квантовый чип, на котором были созданы два quDit-а, при помощи которого были проведены исследования этой новой квантовой технологии. На поверхности квантового чипа расположен оптический резонатор, в который запускаются два запутанных фотона света. Каждый из фотонов может иметь 10 основных квантовых состояний, определяемых его длиной волны (цветом) и находиться в состояние суперпозиции, в котором он может быть красным И зеленым И синим И желтым одновременно. Эти цвета были приведены условно, так как на практике использовались фотоны инфракрасного диапазона. Таким образом, каждый из "разноцветных" фотонов способен находиться в 100 различных состояниях, а система из двух таких фотонов, quDit-ов, по производительности (количеству выполняемых ею параллельных операций) эквивалентна системе с 12 классическими запутанными друг с другом кубитами. "Нам впервые удалось получить достаточно простым способом многомерное квантовое состояние" - рассказывает Майкл Куес (Michael Kues), ведущий исследователь, - "А нашей следующей задачей станет использование такой многомерной квантовой системы для выполнения практических вычислений".

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026