W Nature Commucations opublikowano plany komputerowej symulacji pozwalającej opracować wykorzystanie optogenetyki w leczeniu chorób serca. Według autorów technika umożliwi lekarzom rozwiązywać poważne problemy, takie jak arytmia, za pomocą światła. Według profesor Natalii Trayanovej, użycie w niektórych przypadkach defibrylatora można porównać do wyważenia drzwi, gdy nie mamy klucza. Zbyt dużo siły, zbyt mało precyzji. Celem badania jest jest opracowanie bardziej inteligentnej metody leczenia, wykorzystującej światło do zmiany zachowania serca.

Optoda (po lewej) dostarcza niebieskie światło z końcówki światłowodu do serca. Komórka serca (czerwona duża ramka) ma zaimplementowaną światłoczułą opsynę (niebieski), która współdziała z białkami kanałowymi komórki serca (żółte). Tą metodą impuls świetlny zamienia się w impuls elektryczny

Badacze chcą w tym celu wykorzystać zdobycze optogenetyki. Sama dziedzina jest bardzo młoda, pojawiła się zaledwie dekadę temu, a jej pionierami byli uczeni ze Stanford. Jej założenie polega na włączeniu do komórek światłoczułych białek – opsyn. Po oświetleniu zmieniają zależności jonowe w komórce regulując przepływ jonów. Pierwsze doświadczenia wykorzystywały tą metodę w kontrolowaniu zachowań bioelektrycznych komórek mózgowych z myślą o jej zastosowaniu np. w leczeniu zaburzeń nerwowych czy psychicznych światłem.

Obecnie naukowcy przetestowali regulacje optogenetyczną na sercu, choć na razie tylko w komputerze. Prof. Trayanova poświęciła wiele lat rozwijające wysoce skomplikowany model serca, mogący symulować działanie i zaburzenia jego mechanizmów od poziomu molekularnego, przez komórkowy do organu jako całości. Do przeprowadzenia symulacji wykorzystania światła do regulacji pracy wykorzystano dane pozyskane z eksperymentów prowadzonych przez Emilię Entcheva na Stony Brook University. Jej zespół pracuje nad techniką stworzenia światłoczułych tkanek serca, poprzez umieszczenie w komórkach opsyn. Pozyskane dane znacznie udoskonaliły model komputerowy.

Zespół prof. Trayanovej przeprowadził eksperymenty in silico. Celem było określenie, jak umiejscowienie i sposób regulacji komórek światłoczułych wpłynie na serce jako całość, jego rytm i wydajność skurczową. Można w ten sposób wirtualnie sprawdzić metody i sposoby aktywacji procesów leczniczych. Dzięki dokładności i rzetelności symulacji możliwe jest przewidzenie, które eksperymenty są warte do przeprowadzania aby popchnąć technikę do przodu. Takie podejście przyspieszy badania: naukowcy są optymistami i przewidują praktyczne zastosowanie w ciągu dekady.

Warto zaznaczyć, że to właśnie pracując na Johns Hopkins University inżynier William Kouwenhoven skonstruował w latach 50 pierwszy zewnętrzny defibrylator. Czy z tej uczelni wyjdzie kolejna przełomowa technologia?