Хотя у нас всего пять чувств, клетки, из которых состоит наше тело, могут обладать куда большими способностями. В частности, реагировать на электромагнитное излучение более широкого спектра частот. Возможно, самый популярный источник таких излучений для исследователей – разнообразные лазеры. И хотя первый такой прибор был собран уже полвека назад, область их применения всё ещё непрерывно расширяется.
В медицине и биологии тоже нашлось место для «концентрированной энергии». Хирурги давно оценили возможности, открываемые точно настраиваемым лучом: от тонкого разреза до «сварки» разных биологических тканей.
Николас Смит и его коллеги из Университета японской Осаки нашли способ использовать титан-сапфировый лазер для контроля поведения отдельных клеток. Им удалось подобрать излучение, которого достаточно, чтобы вызвать сокращение клеток сердечной мускулатуры, но при этом не сильно повлиять на другие внутриклеточные процессы.
В организме кардиомиоциты – мышечные клетки сердца так же, как и клетки сердечной мускулатуры, сокращаются под действием электрического импульса, приходящего либо от нервов, либо от электродов – кардиостимулятора или исследовательской аппаратуры.
Клеточная мембрана, выступающая в качестве конденсатора, накапливает заряд, после чего происходит масштабный выброс ионов кальция из многочисленных внутриклеточных депо, отличающих мышечные клетки от других «кирпичиков» нашего организма. В результате происходит сближение молекул внутриклеточного скелета, заканчивающееся уменьшением длины всего мышечного волокна, а если взглянуть еще более масштабно, то сокращением мышцы.
Смит и его коллеги сочли, что можно обойтись без электрического тока,
по иронии судьбы, открытого в современном понимании именно благодаря поперечно-полосатым мышцам. Правда, в конце XVIII века Алессандро Вольта не стал углубляться в биологические механизмы, вызывающие подергивание лягушачьих лапок.
Японские исследователи поступили наоборот – задействовали не основной стимул, а промежуточный этап – увеличение концентрации ионов кальция внутри клетки. Хотя этого можно добиться и с помощью фармацевтических препаратов, Смит предложил воспользоваться энергией лазера. Перепробовав не один вариант комбинаций, ученые еще 7 лет назад остановились на титан-сапфировом лазере и длине волны в 780 нанометров, лежащей на границе видимого и инфракрасного диапазонов.
(от английской аббревиатуры Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «Усиление света с помощью вынужденного излучения») – устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи.
Обычные источники света, такие как лампа накаливания, излучают свет в разных направлениях с широким диапазоном длин волн. Большинство из них также некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны подвержена случайным флуктуациям. Излучение обычного источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую интерференционную картину. Кроме того, излучение нелазерных источников обычно не обладает фиксированой поляризацией. Напротив, излучение лазера монохроматично и когерентно, то есть имеет постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также хорошо определённую поляризацию.
С другой стороны, некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10−15 с).
Механизм развития этого феномена оставался неясен до предыдущей публикации этого же авторского коллектива в Optic Express. Воспользовавшись отработанной моделью с теми же участниками (лазер, клеточная линия и флуоресценция для контроля распространения кальция), Смит и его коллеги широко варьировали как продолжительность импульсов, так и их повторяемость. Это позволило им доказать, что ключевую роль в этом процессе играют активные формы кислорода, образующиеся при возбуждении отдельных молекул фотонами лазерного импульса.
В своей последней работе, принятой к публикации в том же Optics Express, учёные повторили предыдущие достижения, но уже с другими клетками – мышечными клетками сердца, сокращение которых – это жизнь для всех достаточно высокоорганизованных живых существ. Кратковременного облучения оказалось достаточно, чтобы вызвать лавинообразный выход ионов кальция из внутриклеточных резервуаров кардиомиоцитов с последующим сокращением последних.
Эта интересная альтернатива электростимуляции уже нашла свое применение в лабораторных исследованиях.
медицинский прибор, предназначенный для изменения ритма сердца. Основной задачей водителей ритма является поддержание или навязывание частоты сердечных сокращений пациенту, у которого или сердце бьется недостаточно часто, или имеется полное электрофизиологическое разобщение между предсердиями и желудочками. Также имеются специальные (диагностические) кардиостимуляторы для проведения нагрузочных функциональных проб.
Впервые способность импульсов электрического тока вызвать сокращения мышцы заметил в 1786 году итальянец Алессандро Вольта. Позднее российские физиологи Ю. М. Чаговец и Н. Е. Введенский изучили особенности воздействия электрического импульса на сердце и предположили возможность использования их для лечения некоторых заболеваний сердца. В 1927 году был создан первый в мире наружный электрокардиостимулятор и применил его в клинике для лечения больного, страдающего редким пульсом и потерями сознания.
В 1951 году американские кардиохирурги использовали кардиостимулятор для лечения больной после операции, так как у неё развилась полная поперечная блокада сердца с редким ритмом и приступами МЭС. Однако у данного прибора имелся большой недостаток – он находился вне тела пациента, и импульсы к сердцу проводились по проводам через кожу.
В 1959 году шведские ученые (в частности Руне Элмквист) создали имплантируемый, то есть полностью находящийся под кожей, кардиостимулятор. Конечно, первые стимуляторы были недолговечными: их срок службы составлял от 12 до 24 месяцев, однако и это был огромный шаг вперед.
В России история кардиостимуляции возобновила отсчет с 1960 года, когда академик А.Н. Бакулев обратился к ведущим конструкторам страны с предложением о разработке медицинских аппаратов. В Конструкторском бюро точного машиностроения –ведущем предприятии оборонной отрасли, возглавляемом А. Э. Нудельманом – начались первые разработки имплантируемых ЭКС (А. А. Рихтер, В. Е. Бельгов). В декабре 1961 года первый российский стимулятор, ЭКС-2, был имплантирован академиком А. Н. Бакулевым больной с полной атриовентрикулярной блокадой. ЭКС-2 был на вооружении врачей более 15 лет, спас жизнь тысячам больных и зарекомендовал себя как один из наиболее надежных и миниатюрных стимуляторов того периода в мире.
Лазерный кардиостимулятор очень удобен для исследования сокращений кардиомицитов in vitro (в пробирке). Он позволяет прицельно активировать именно те клетки, которые нужно, и делать это ровно тогда, когда оно необходимо учёным. Возможно, в будущем так же можно будет стимулировать и клетки других типов.
Тем не менее, Смит и его коллеги пока не уверены в возможности такого практического применения для своей работы и сомневаются в том, что на основе их находки можно будет в ближайшее время сделать оптический кардиостимулятор. Во-первых, их метод слишком точен – воздействует на отдельные клетки и даже на отдельные внутриклеточные структуры, а в клинической работе требуется большая «масштабность». А во-вторых, побочные эффекты, в частности из-за избытка активных форм кислорода, могут оказаться слишком велики, особенно при увеличении площади пятна и мощности, необходимых для работы in vivo (в организме). Тем более что такой побочный эффект будет накапливаться в тканях вне зависимости от приема антиоксидантов.
