Исследователи создали модель биологической самовосстанавливающейся системы, которая позволяет сердцу самостоятельно обнаруживать и моментально погашать аритмии, тем самым предотвращая внезапную смерть. Систему проверили на компьютерных моделях и клетках человеческого сердца. Статья опубликована в журнале eLife.

В организме человека есть множество рецепторных систем, контролирующих внутренние процессы. Однако наиболее опасные из них организм не может блокировать. К таким заболеваниям относятся предсердные и желудочковые аритмии, которые приводят к внезапной сердечной смерти, уносящей ежегодно жизни миллионов людей. Из-за возникающих в сердце хаотичных электрических вихрей оно утрачивает способность совершать синхронные, согласованные сокращения.

Современное решение это проблемы — дефибрилляция, процесс, в котором электрический ток от электродов проходит через сердце и гасит электрический шторм, устраняя аритмию. Однако дефибрилляторы не всегда оказываются под рукой, а использование дорогостоящих имплантируемых дефибрилляторов ограничено некоторыми противопоказаниями и чревато техническими неисправностями.

Ученые из Уральского федерального университета совместно с нидерландскими и бельгийскими коллегами поставили перед собой задачу «научить» сердце самостоятельно определять и предотвращать аритмии, используя при этом не внешний электрический ток, а электричество, запасенное в сердце.

Разница в концентрации ионов по разные стороны клеточной мембраны, необходимая для множества биологических процессов, поддерживается за счет энергии, которую мы потребляем. Этой энергии достаточно, чтобы сгенерировать ток, способный устранить аритмию в течение всего лишь нескольких секунд.

Для этого, помимо ионных каналов, присутствующих в сердце, необходимо создать каналы нового типа, которые смогут определять начало аритмии и открываться, чтобы ее прекратить. Такую систему ученые назвали «биологически интегрированным дефибриллятором сердца BioICD».

Конструкцию канала исследователи разработали в виде системы дифференциальных уравнений, а эффективность продемонстрировали на десятках компьютерных моделей. На следующем этапе ученые смогли экспериментально протестировать разработки. Используя методику рatch-clamp (с помощью очень тонких трубочек, микропипеток, которые герметично прикладывают к клеточной мембране), исследователи измерили мощность ионных токов.

«Наш подход заключается в том, что микропипетки можно использовать не только для измерений, но и для того, чтобы сгенерировать ток через мембрану. Таким образом, мы получили искусственный канал доставки ионов в клетку. При этом мощность тока задается компьютерной программой, искусственным интеллектом, на основе уравнений, которые мы для него разработали. Эксперименты на специально выращенных клетках человеческого сердца показали, что созданный нами “механизм” дефибрилляции работает не только как компьютерная модель, но и in vitro», — рассказывает один из авторов работы, научный сотрудник УрФУ, Лейденского и Гентского университетов Александр Панфилов.

В настоящее время ученые осуществляют поиск ионных каналов с подходящими свойствами в разных организмах, а также проводят конструирование искусственных каналов. Такие каналы могут быть встроены в сердце человека посредством генной инженерии.