Mærk takten:implanterede mikrolasere scanner hjertet indefra

Det lyder som science fiction - men lasere, der slår til rytmen i et levende hjerte, er præcis, hvad forskere ved University of St Andrews har udviklet for at forbedre forståelsen af ​​hjertesvigt og for at hjælpe med at udvikle mere effektive behandlinger.

Leder et tværfagligt team af forskere, Dr. Marcel Schubert og professor Malte Gather fra School of Physics and Astronomy og Dr. Samantha Pitt fra School of Medicine ved University of St Andrews, indlejret bittesmå lasere i individuelle hjerteceller, og ved at analysere det lys, disse lasere producerer, overvågede de hjertemusklens sammentrækninger.

Forskningen, udgivet i Natur fotonik i dag, kommer i det år, hvor laseren markerer 60 år siden opfindelsen.

For at kontrollere hjertets funktion, læger tager en patients puls, måle blodtryk, eller tage et elektrokardiogram (EKG), der giver oplysninger om funktionen og hjertets rytme som helhed men giver lidt information om, hvad der sker i de forskellige dele af hjertet.

Ekkokardiogrammer og andre sofistikerede metoder kan give mere lokal information, men yderligere fremskridt, især til behandlinger, der undersøger stamceller eller transplanteret væv, vil kræve at følge sammentrækningerne af de enkelte celler, der danner hjertemusklen.

At opnå dette, i det mindste i dyremodeller, der rutinemæssigt bruges til at studere kritiske hjertesygdomme, der almindeligvis ses hos mennesker, lover forbedret forståelse og dermed mere effektiv behandling.

Lasere bruges meget i biomedicinsk billeddannelse, løse stadig finere detaljer om livet, herunder kortlægningsdetaljer i hjerteceller. Men fordi lasere normalt er store og strøm-sultne, de sidder uden for hjertet og kan kun sende deres lys til overfladen af ​​det biologiske væv, hvilket i høj grad begrænser, hvor dybt de kan se ud.

I dette seneste værk, bittesmå lasere blev placeret inde i hjertet, hvor de fungerede som mikroskopiske sonder. Med hvert hjerteslag, lysets farve, som disse lasere udsender, ændret med en lille, men tydeligt påviselig mængde, dermed præcist kodning af hjertecellernes sammentrækninger over tid.

Dr. Marcel Schubert, en Royal Society Research Fellow på School of Physics and Astronomy ved University of St Andrews, sagde:"Farveskiftet kom som en stor overraskelse og menes at være forårsaget af en tidligere ukendt ændring i hjertemuskelcellernes cellulære maskineri."

Professor Malte Saml, fra School of Physics and Astronomy ved University of St Andrews, sagde:"De data, vores lasere giver, ligner det EKG, din læge registrerer. Men i vores tilfælde, den indeholder mekanisk information om de indre funktioner i en enkelt celle, og det kommer dybere i vævet, end andre optiske mikroskoper kan se i dag. "

Selvom forskningen stadig er i sine tidlige dage, den nuværende undersøgelse viser, at lasere kan løse hurtige dynamiske processer inde i individuelle levende celler og hele hjerter. Mere arbejde vil være påkrævet, før den nye metode rutinemæssigt kan anvendes i forskningslaboratorier rundt om i verden, men teamet er optimistisk om, at lasere i celler er en grundpille.

Mikrolaserne kan let produceres i millioner og sammenlignes med mange moderne mikroskoper, den ekstra infrastruktur, der kræves for at analysere laseremissionen, er relativt billig og, at tillade andre laboratorier at bruge og ændre deres metode, teamet har lavet alle deres protokoller og den software, der konverterer laseroutput til et frit tilgængeligt optisk EKG.

Forskergruppen arbejder allerede mod deres næste milepæl med at gøre en nyligt udviklet nanolaser til en optisk sensor til hjertesammentrækning. At være 1, 000 gange mindre end de mikrolasere, der blev brugt i den aktuelle undersøgelse, disse lasere vil yderligere øge alsidigheden og biokompatibiliteten, og dermed baner vejen for anvendelser af den nye metode i langtidsstudier og i klinisk relevante hjerteterapier.