Se llama optogenética y se refiere al uso de la luz para regular las células. Con ello, los bioingenieros ahora pueden crear animales de investigación como moscas de la fruta o ratones que transportan genes de proteínas sensibles a la luz. Los investigadores pueden activar esas proteínasy con un láser en el animal vivo para estudiar cómo la manipulación de esas proteínas afecta la función de los órganos, como el corazón o el cerebro.
En este caso, los investigadores financiados por el Instituto Nacional de Imagen Biomédica y Bioingeniería crearon moscas de la fruta que transportan proteínas sensibles a la luz en sus corazones. Cuando son golpeadas por un láser azul, las proteínas abren canales que causan un flujo de iones o partículas cargadasque hacen que el corazón lata
El corazón late con cada destello de un láser azul que atraviesa la piel del insecto, un exoesqueleto llamado cutícula. Usaron el sistema para regular la frecuencia cardíaca de las moscas adultas y las larvas y pupas de moscas para introducir un no completamente"marcapasos óptico" invasivo. La esperanza es que el sistema experimental pueda eventualmente usarse para desarrollar terapias potenciales para la enfermedad cardíaca humana, incluyendo paro cardíaco y arritmias.
El estudio fue dirigido por el autor principal, Chao Zhou, Ph.D., Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Lehigh en Bethlehem, Pensilvania, y se informó en la edición de octubre de Science Advances.
Antes de la optogenética, los científicos utilizaron la estimulación eléctrica para alterar los ritmos cardíacos en animales experimentales, un enfoque que aprovecha el hecho de que el corazón late naturalmente en respuesta a señales eléctricas. Sin embargo, la estimulación eléctrica experimental tiene una serie de inconvenientes, incluida la necesidadpara la colocación invasiva de electrodos, falta de especificidad solo para el tejido cardíaco y potencial para causar daño tisular.
"La elección de la mosca de la fruta hace que este trabajo sea particularmente interesante e ingenioso", explica Richard Conroy, Ph.D., Director de la División de Ciencia y Tecnología Aplicadas de NIBIB, "porque pueden estudiar cómo los cambios en la palizaEl patrón del corazón puede afectar el desarrollo de todo el organismo, algo que no podría hacerse en un ratón, por ejemplo ".
De hecho, los estudios realizados en ratones incluyeron la apertura quirúrgica de la pared torácica para exponer el corazón a la luz o la implantación de fibras ópticas en los ratones para que la luz sea guiada al órgano para ser estimulada por la luz, como el corazón o el cerebro. Ambos procedimientos sonsignificativamente más invasivo en comparación con la facilidad para estimular el corazón de una mosca de la fruta Una vez que el gen que produce la proteína sensible a la luz, que solo se produce en el corazón, se introdujo en las moscas de la fruta, los investigadores pudieron usar el azul pulsanteláser para manipular el corazón durante el desarrollo de la mosca de la fruta. El láser se usó para controlar la frecuencia cardíaca de la larva de la mosca de la fruta y la siguiente etapa, conocida como pupa, así como en adultos.
En cada etapa de desarrollo, el corazón late a diferentes velocidades y tiene características diferentes, lo cual fue reportado recientemente por el mismo grupo en PLOS One. Uno de los más llamativos se encuentra en la pupa donde la frecuencia cardíaca se reduce significativamente, con el corazónse detiene por completo en el segundo día de la etapa de pupa y luego comienza de nuevo un día más tarde, donde aumenta constantemente para alcanzar la frecuencia cardíaca máxima en el adulto. Las diferencias en cada etapa de desarrollo les dieron a los investigadores la oportunidad de probar la capacidad de la optogenéticasistema para influir y controlar en última instancia las frecuencias cardíacas variables en cada etapa.
"Trabajar con moscas de la fruta agrega la poderosa herramienta de diseñar estudios que abarquen el ciclo de vida", explica Zhou. "Debido a que podemos alterar la frecuencia cardíaca en la pupa de manera no invasiva, nos permite estudiar el efecto de las irregularidades cardíacas tempranas enel desarrollo de la mosca adulta. Esto proporciona un gran potencial para experimentos destinados a comprender las anormalidades del desarrollo, como las arritmias, y para buscar nuevas estrategias terapéuticas que eventualmente se puedan aplicar a los trastornos cardíacos humanos ".
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Imagen Biomédica y Bioingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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