Ученые разработали оптокардиограф и распечатали его компоненты на 3D-принтере

Международная группа ученых из Университета Джорджа Вашингтона (США) и Московского физико-технического института (Россия) разработала открытое техническое решение для многопараметрического оптического картирования электрической активности сердца. Одновременная регистрация нескольких взаимосвязанных процессов (электрического возбуждения и изменений внутриклеточных концентраций кальция) может помочь глубже понять механизмы сердечных аритмий. Как 3D-модели компонентов системы, так и программный код для анализа полученных данных выложены в открытый доступ, что позволяет использование разработанной системы другими группами исследователей. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Сокращение сердца обусловлено рядом взаимосвязанных внутриклеточных процессов: в первую очередь, электрическим возбуждением и изменением внутриклеточной концентрации кальция. В норме возбуждение инициируется группой клеток в правом предсердии (синоатриальным узлом) и распространяется по проводящей системе сердца в предсердия и желудочки. Нарушения в этих процессах, аритмии, являются ведущей причиной смертности в России и других развитых странах.

Ведущим методом, используемым сегодня для изучения механизмов аритмий, является оптическое картирование. При этом через эксплантированное сердце или участок сердечной ткани пропускается раствор, содержащий флуоресцентные красители. Это позволяет провести измерение ряда внутриклеточных процессов с использованием камер высокого временного разрешения. Широкое использование оптического картирования затруднено из-за высокой дороговизны оборудования, технических сложностей одновременной регистрации нескольких параметров изучаемого препарата и обработки регистрируемых сигналов.

Для решения этих проблем авторы статьи разработали открытую, расширяемую систему, позволяющую регистрировать электрическое возбуждение и изменение внутриклеточной концентрации кальция. При этом почти все части системы (за исключением камер, объективов и насосов) были напечатаны на 3D-принтере. Все чертежи компонентов системы открыты, и любая лаборатория может воспроизвести аналогичную систему. Ученые подсчитали, что, используя готовое 3D-решение, можно сэкономить до 20000$ по сравнению с коммерчески доступными предложениями. Помимо чертежей самой системы, они разработали программное обеспечение RHYTHM для обработки и анализа сигналов, написанное на языке Matlab, с открытым исходным кодом.

Роман Сюняев, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии человека МФТИ, соавтор работы, комментирует: «Нам было важно, чтобы ПО было доступно для использования физиологами, которые, зачастую, могут не обладать достаточными техническими навыками для программирования, например, на языке C++. В текущей версии есть ряд модулей для анализа характеристик потенциала действия и кальциевых переходов. Архитектура позволяет достаточно просто расширить код для одновременного измерения, например, метаболических изменений (концентрация NADH). Распространение возбуждения в миокарде сопряжено с рядом сложных взаимодействующих процессов, однако исследователю, как правило, доступен только один из параметров системы. До сих пор работы с мультипараметрическим картированием очень редки».

«В нашей лаборатории мы поддерживаем политику открытых данных. Сейчас немногие научные группы могут позволить себе дорогое оборудование для оптического картирования, а с помощью наших чертежей они смогут недорого воспроизвести точно такую же систему, которую используем мы, и обработать данные с помощью RHYTHM. Кроме того, наш прибор дает свободу для новых экспериментов с различными типами образцов», — комментирует Игорь Ефимов, профессор университета Джорджа Вашингтона и заведующий лабораторией физиологии человека Центра живых систем МФТИ.