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

Het hart is een pomp, maar het is ook een elektrische machine. Voor een hartslag moet een elektrische golf soepel door de spier reizen, om de cellen te vertellen wanneer ze moeten samentrekken. Wanneer dit elektrische signaal in de knoop raakt of geblokkeerd wordt, kan het hart te snel, te langzaam of in een chaotisch ritme slaan, bekend als een aritmie. Artsen behandelen deze gevaarlijke ritmes door de elektrische activiteit van het hart in kaart te brengen, waarbij ze proberen de exacte plek te vinden waar het signaal fout gaat, zodat ze het met een katheter kunnen repareren. De elektrische signalen die artsen aan de oppervlakte zien, zijn echter vaak een wazige versie van wat er diep in de spier werkelijk gebeurt. Het is alsof men probeert de beweging van een menigte te begrijpen door alleen naar de schaduwen te kijken die zij op een muur werpen; de vorm is er wel, maar de details zijn verloren gegaan. Om echt te begrijpen hoe deze gevaarlijke ritmes ontstaan en hoe ze te stoppen, moeten wetenschappers de elektrische activiteit en de fysieke structuur van het hart tegelijkertijd kunnen zien, met perfecte helderheid.

Een team van onderzoekers heeft een nieuw, open-source platform gebouwd waarmee wetenschappers precies dit kunnen doen: de elektrische signalen van het hart en de fysieke structuur tegelijkertijd bekijken in een geparfuseerd orgaan buiten het lichaam. Dit systeem, dat onlangs in een studie werd gepubliceerd, is ontworpen om te werken met harten van verschillende formaten, van kleine konijnen tot grote varkens en zelfs menselijke harten die niet geschikt waren voor een transplantatie. De onderzoekers creëerden een opstelling die drie verschillende manieren combineert om naar het hart te kijken. Ten eerste gebruiken ze hogesnelheidscamera's en speciale kleurstoffen om de elektrische golven in real time over het hartspierweefsel te zien bewegen, wat een gedetailleerde kaart van de activatie creëert. Ten tweede gebruiken ze piepkleine elektroden die het oppervlak van het hart raken om de elektrische signalen op te nemen, precies zoals ze tijdens een procedure bij een patiënt worden gemeten. Derde plaatsen ze het hart in een tank gevuld met een geleidende vloeistof die het menselijk lichaam nabootst, waardoor ze het elektrische veld van een afstand kunnen registreren, net zoals een arts dat op de huid van een patiënt zou zien. Door al deze metingen te synchroniseren, kan het team vergelijken wat er aan de oppervlakte gebeurt, diep in de spier en ver weg in de omringende vloeistof, en dat allemaal tijdens dezelfde hartslag.

Het platform werd getest in drie verschillende configuraties om de unieke uitdagingen van verschillende hartgroottes aan te pakken. Voor kleine harten, zoals die van konijnen, gebruikte het team een opstelling die het hele orgaan vanuit meerdere hoeken vastlegde. Ze plaatsten het hart in een tank en gebruikten drie camera's voor een panoramisch beeld van het oppervlak, terwijl elektroden het hart aanraakten en sensoren in de tank de verre signalen registreerden. Dit stelde hen in staat om te zien hoe de elektrische golf zich over het hele hart bewoog en hoe die beweging zich vertaalde naar de signalen die door de elektroden en de tank werden geregistreerd. Voor grotere harten, zoals die van varkens en mensen, pasten de onderzoekers het systeem aan om de grotere organen te huisvesten terwijl ze intact bleven. In een configuratie voor grote harten met een heel orgaan gebruikten ze transparante elektrode-interfaces waardoor camera's door de wanden van de tank konden kijken om tegelijkertijd optische gegevens en elektrische potentialen uit de omringende vloeistof vast te leggen. In een aparte configuratie voor grote harten splitsten de onderzoekers het hart om tegelijkertijd naar de binnen- en buitenkant te kijken, iets wat onmogelijk is bij een levende patiënt. Deze opstelling onthulde dat de elektrische patronen aan de binnenkant van het hart er heel anders uit kunnen zien dan aan de buitenkant, vooral tijdens chaotische ritmes zoals fibrillatie.

De onderzoekers toonden aan dat hun systeem werkt door de harten in verschillende toestanden te registreren, waaronder een normaal ritme, een snelle hartslag en chaotische fibrillatie. Ze ontdekten dat de verschillende methoden om de elektriciteit van het hart te meten niet altijd hetzelfde verhaal vertellen. Zo toonde het hoog-resolutie camerabeeld bijvoorbeeld een vloeiende, continue activatiegolf, terwijl de elektroden, die slechts specifieke punten aanraken, een meer verspreid beeld toonden dat computerinterpolatie vereiste om de punten te verbinden. De signalen die vanuit de tank werden opgenomen, die het elektrische veld vertegenwoordigen nadat het door de vloeistof is gereisd, zagen er nog veel anders uit, wat liet zien hoe de complexe patronen van het hartspierweefsel worden afgevlakt en veranderd voordat ze de oppervlakte van het lichaam bereiken. Deze verschillen zijn geen fouten; het zijn echte fysieke verschijnselen die optreden omdat elke methode een ander aspect van de elektrische activiteit meet. Het platform stelt wetenschappers in staat om deze verschillen zij aan zij te zien, wat helpt begrijpen waarom een behandeling die op een kaart goed lijkt, misschien niet naar verwachting werkt bij een patiënt.

Wat dit werk bijzonder belangrijk maakt, is dat de onderzoekers het volledige systeem publiek toegankelijk hebben gemaakt. Ze hebben de software, de elektronische ontwerpen en de mechanische blauwdrukken gedeeld, zodat andere laboratoria hun eigen versies van dit platform kunnen bouwen. Dit is een afwijking van de gebruikelijke praktijk waarbij dergelijke complexe apparatuur eigendom blijft van één bedrijf of alleen door één team wordt gebouwd. Door een reproduceerbaar kader te bieden, hopen de auteurs de studie naar hartritmes te versnellen en de methoden die artsen gebruiken voor diagnose en behandeling te verbeteren. Het systeem is geen magische oplossing die hartziekten onmiddellijk geneest, maar het biedt een krachtig nieuw instrument om de complexe relatie tussen de fysieke structuur van het hart en de elektrische signalen te begrijpen. Het overbrugt de kloof tussen de hoog-resolutiebeelden die wetenschappers in een laboratorium kunnen zien en de elektrische signalen die artsen in een kliniek zien, en biedt een duidelijker beeld van hoe het elektrische systeem van het hart werkt wanneer het fout gaat.

De studie omvatte ook een methode om na de experimenten een driedimensionaal model van de vorm van het hart te maken. Door foto's van het hart vanuit elke hoek te maken terwijl het langzaam werd gedraaid, kon het team een digitaal mesh boubouwden dat overeenkwam met de exacte vorm van het gebruikte orgaan. Dit model helpt onderzoekers om de elektrische en optische kaarten op een realistische vorm te plaatsen, wat het makkelijker maakt om te visualiseren waar de signalen vandaan komen. Hoewel dit model alleen de buitenkant van het hart laat zien en niet in de spier of in verborgen holtes kan kijken, vormt het een cruciale schakel tussen de data en de fysieke realiteit van het orgaan. De onderzoekers benadrukten dat dit platform een fundament is voor toekomstige studies, waardoor wetenschappers nieuwe mappingtechnieken kunnen testen en beter kunnen begrijpen hoe elektrische signalen door verschillende soorten hartweefsel reizen.

Uiteindelijk gaat dit werk over het samenbrengen van verschillende manieren om naar het hart te kijken. Jarenlang moesten wetenschappers kiezen tussen het hart in hoge detail zien met camera's of de elektrische signalen meten die artsen met elektroden gebruiken. Dit nieuwe platform heft die keuze op, waardoor beide tegelijkertijd kunnen plaatsvinden. Het laat zien dat de elektrische signalen die aan de oppervlakte worden geregistreerd een complexe reflectie zijn van wat er in de spier gebeurt, en dat het begrijpen van deze relatie essentieel is voor het ontwikkelen van betere behandelingen voor hartritmestoornissen. Door deze technologie open en aanpasbaar te maken, hebben de onderzoekers een gedeelde bron gecreëerd die de hele wetenschappelijke gemeenschap kan helpen dichter bij het oplossen van de mysteries van cardiale aritmieën te komen. Het hart blijft een complex en vitaal orgaan, maar met instrumenten zoals deze beginnen we het elektrische leven ervan te zien met een helderheid die voorheen onbereikbaar was.