An Open-Source Platform for Multimodal Electrical and Optical Mapping of Ex Vivo Hearts

Das Herz ist eine Pumpe, aber es ist auch eine elektrische Maschine. Damit ein Herzschlag erfolgen kann, muss eine elektrische Welle reibungslos durch den Muskel wandern und den Zellen sagen, wann sie sich zusammenziehen sollen. Wenn sich dieses elektrische Signal verheddert oder blockiert wird, kann das Herz zu schnell, zu langsam oder in einem chaotischen Rhythmus schlagen, der als Arrhythmie bekannt ist. Ärzte behandeln diese gefährlichen Rhythmen, indem sie die elektrische Aktivität des Herzens kartieren und versuchen, genau die Stelle zu finden, an der das Signal fehlerhaft verläuft, um sie mit einem Katheter zu reparieren. Die elektrischen Signale, die Ärzte an der Oberfläche sehen, sind jedoch oft eine verschwommene Version dessen, was sich tief im Inneren des Muskels tatsächlich abspielt. Es ist, als versuche man, die Bewegung einer Menge zu verstehen, indem man nur die Schatten beobachtet, die sie an eine Wand werfen; die Form ist zwar vorhanden, aber die Details gehen verloren. Um wirklich zu verstehen, wie diese gefährlichen Rhythmen entstehen und wie man sie stoppt, müssen Wissenschaftler die elektrische Aktivität und die physische Struktur des Herzens gleichzeitig und mit perfekter Klarheit sehen können.

Ein Forschungsteam hat eine neue Open-Source-Plattform entwickelt, die es Wissenschaftlern ermöglicht, genau dies zu tun: die elektrischen Signale des Herzens und seine physische Struktur gleichzeitig in einem perfundierten Organ außerhalb des Körpers zu beobachten. Veröffentlicht in einer kürzlich erschienenen Studie, ist dieses System darauf ausgelegt, mit Herzen unterschiedlicher Größe zu arbeiten, von kleinen Kaninchen bis hin zu großen Schweinen und sogar menschlichen Herzen, die nicht für eine Transplantation geeignet waren. Die Forscher entwickelten einen Aufbau, der drei verschiedene Arten der Betrachtung des Herzens kombiniert. Zuerst verwenden sie Hochgeschwindigkeitskameras und spezielle Farbstoffe, um die elektrischen Wellen in Echtzeit über den Herzmuskel wandern zu sehen, wodurch eine detaillierte Karte der Aktivierung erstellt wird. Zweitens verwenden sie winzige Elektroden, die die Herzoberfläche berühren, um die elektrischen Signale exakt so aufzuzeichnen, wie sie während eines medizinischen Eingreifverfahrens bei einem Patienten gemessen würden. Drittens platzieren sie das Herz in einem Tank voller einer leitfähigen Flüssigkeit, die den menschlichen Körper nachahmt, was es ihnen ermöglicht, das elektrische Feld aus der Distanz aufzuzeichnen, genau so, wie ein Arzt es auf der Haut eines Patienten sehen würde. Durch die Synchronisierung all dieser Messungen kann das Team vergleichen, was an der Oberfläche, tief im Inneren des Muskels und weit entfernt im umgebenden Fluid geschieht – und das alles während desselben Herzschlags.

Die Plattform wurde in drei verschiedenen Konfigurationen getestet, um die besonderen Herausforderungen unterschiedlicher Herzgrößen zu bewältigen. Für kleine Herzen, wie die von Kaninchen, verwendete das Team einen Aufbau, der das gesamte Organ aus mehreren Winkeln erfasste. Sie platzierten das Herz in einem Tank und nutzten drei Kameras, um eine Panoramaansicht der Oberfläche zu erhalten, während Elektroden das Herz berührten und Sensoren im Tank die entfernten Signale aufzeichneten. Dies ermöglichte es ihnen zu sehen, wie sich die elektrische Welle über das gesamte Herz bewegte und wie sich diese Bewegung in die von den Elektroden und dem Tank aufgezeichneten Signalen niederschlug. Für größere Herzen, wie die von Schweinen und Menschen, passten die Forscher das System an, um die größeren Organe intakt zu halten. In einer Konfiguration für große Herzen im Ganzorgan-Modus verwendeten sie transparente Elektroden-Schnittstellen, die es den Kameras ermöglichten, durch die Tankwände zu sehen, um optische Daten und elektrische Potenziale aus der umgebenden Flüssigkeit gleichzeitig zu erfassen. In einer separaten Konfiguration für große Herzen spalteten die Forscher das Herz auf, um die innere und äußere Oberfläche gleichzeitig zu betrachten – etwas, das bei einem lebenden Patienten unmöglich ist. Dieser Aufbau zeigte, dass die elektrischen Muster im Inneren des Herzens sehr unterschiedlich aussehen können als auf der Außenseite, insbesondere während chaotischer Rhythmen wie der Fibrillation.

Die Forscher demonstrierten, dass ihr System funktioniert, indem sie die Herzen in verschiedenen Zuständen aufzeichneten, einschließlich Normalrhythmus, schnellem Schlagen und chaotischer Fibrillation. Sie fanden heraus, dass die verschiedenen Methoden zur Messung der Elektrizität des Herzens nicht immer dieselbe Geschichte erzählen. Beispielsweise zeigte die hochauflösende Kameraansicht eine glatte, kontinuierliche Aktivierungswelle, während die Elektroden, die nur spezifische Punkte berühren, ein eher zerstreutes Bild zeigten, das eine computergestützte Interpolation benötigte, um die Punkte zu verbinden. Die aus dem Tank aufgezeichneten Signale, die das elektrische Feld repräsentieren, nachdem es durch die Flüssigkeit gereist ist, sahen noch unterschiedlicher aus und zeigten, wie die komplexen Muster des Herzmuskels geglättet und verändert werden, bevor sie die Körperoberfläche erreichen. Diese Unterschiede sind keine Fehler; sie sind reale physikalische Phänomene, die auftreten, weil jede Methode einen anderen Aspekt der elektrischen Aktivität misst. Die Plattform ermöglicht es Wissenschaftlern, diese Unterschiede nebeneinander zu sehen, was hilft zu verstehen, warum eine Behandlung, die auf einer Karte gut aussieht, beim Patienten möglicherweise nicht wie erwartet wirkt.

Was diese Arbeit besonders bedeutsam macht, ist, dass die Forscher das gesamte System der Öffentlichkeit zugänglich gemacht haben. Sie haben die Software, die elektronischen Designs und die mechanischen Blaupausen geteilt, damit andere Labore ihre eigenen Versionen dieser Plattform bauen können. Dies ist eine Abkehr von der üblichen Praxis, bei der solch komplexe Ausrüstungen unter Verschluss gehalten oder nur von einem einzigen Team gebaut werden. Indem sie einen reproduzierbaren Rahmen bereitstellen, hoffen die Autoren, die Untersuchung von Herzrhythmen zu beschleunigen und die Methoden zu verbessern, mit denen Ärzte diagnostizieren und behandeln. Das System ist keine magische Lösung, die Herzkrankheiten sofort heilt, aber es bietet ein leistungsstarkes neues Werkzeug, um die komplexe Beziehung zwischen der physischen Struktur des Herzens und seinen elektrischen Signalen zu verstehen. Es schließt die Lücke zwischen den hochauflösenden Bildern, die Wissenschaftler im Labor sehen können, und den elektrischen Signalen, die Ärzte in einer Klinik mittels Elektroden wahrnehmen.

Die Studie beinhaltete auch eine Methode, um nach den Experimenten ein dreidimensionales Modell der Herzform zu erstellen. Indem sie Bilder des Herzens aus jedem Winkel aufnahmen, während es langsam rotiert wurde, konnte das Team ein digitales Netz erstellen, das der exakten Form des im Experiment verwendeten Organs entsprach. Dieses Modell hilft Forschern, ihre elektrischen und optischen Karten auf eine realistische Form zu legen, was es erleichtert zu visualisieren, von wo die Signale kommen. Obwohl dieses Modell nur die Außenseite des Herzens zeigt und nicht in den Muskel oder in verborgene Spalten blicken kann, stellt es eine entscheidende Verbindung zwischen den Daten und der physischen Realität des Organs her. Die Forscher betonten, dass diese Plattform eine Grundlage für zukünftige Studien ist, die es Wissenschaftlern ermöglicht, neue Kartierungstechniken zu testen und besser zu verstehen, wie elektrische Signale durch verschiedene Arten von Herzgewebe wandern.

Letztendlich geht es bei dieser Arbeit darum, verschiedene Arten, das Herz zu betrachten, zusammenzuführen. Jahrelang mussten sich Wissenschaftler entscheiden, ob sie das Herz mit Kameras in hoher Detailgenauigkeit sehen oder die elektrischen Signale messen wollen, die Ärzte mit Elektroden verwenden. Diese neue Plattform hebt diese Wahl auf, indem sie beides gleichzeitig ermöglicht. Sie zeigt, dass die an der Oberfläche aufgezeichneten elektrischen Signale ein komplexes Spiegelbild dessen sind, was im Inneren des Muskels geschieht, und dass das Verständnis dieser Beziehung der Schlüssel zur Entwicklung besserer Behandlungen für Herzrhythmusstörungen ist. Durch die Bereitstellung dieser Technologie als offenes und anpassbares System haben die Forscher eine gemeinsame Ressource geschaffen, die der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen kann, der Lösung der Geheimnisse von Herzrhythmusstörungen näher zu kommen. Das Herz bleibt ein komplexes und lebenswichtiges Organ, aber mit Werkzeugen wie diesen beginnen wir, sein elektrisches Leben mit einer Klarheit zu sehen, die zuvor unerreichbar war.