Het klinkt als sciencefiction, maar lasers die kloppen op het ritme van een levend hart is precies wat onderzoekers van de Universiteit van St. Andrews hebben ontwikkeld om het begrip van hartfalen te verbeteren en om effectievere behandelingen te helpen ontwikkelen.

Leiding geven aan een interdisciplinair team van wetenschappers, Dr. Marcel Schubert en professor Malte Gather van de School of Physics and Astronomy en Dr. Samantha Pitt van de School of Medicine aan de Universiteit van St. Andrews, ingebedde kleine lasers in individuele hartcellen, en door het licht te analyseren dat deze lasers produceren, volgden ze de samentrekkingen van de hartspier.

Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurfotonica vandaag, komt in het jaar waarin de laser 60 jaar markeert sinds zijn uitvinding.

Om de functie van het hart te controleren, artsen nemen de pols van een patiënt, bloeddruk meten, of maak een elektrocardiogram (ECG) dat informatie geeft over de functie en het ritme van het hart als geheel, maar geeft weinig informatie over wat er in de verschillende delen van het hart gebeurt.

Echocardiogrammen en andere geavanceerde methoden kunnen meer lokale informatie opleveren, maar verdere vorderingen, in het bijzonder voor behandelingen die stamcellen of getransplanteerd weefsel onderzoeken, zal nodig zijn om de samentrekkingen te volgen van de individuele cellen die de hartspier vormen.

Dit bereiken, tenminste in diermodellen die routinematig worden gebruikt om kritieke hartaandoeningen te bestuderen die vaak worden gezien bij menselijke patiënten, belooft een beter begrip en dus een effectievere behandeling.

Lasers worden veel gebruikt in biomedische beeldvorming, het oplossen van steeds fijnere details van het leven, inclusief kaartdetails in hartcellen. Maar omdat lasers meestal groot en energieverslindend zijn, ze zitten buiten het hart en kunnen hun licht alleen naar het oppervlak van het biologische weefsel sturen, die ernstig beperkt hoe diep ze kunnen kijken.

In dit laatste werk kleine lasers werden in het hart geplaatst waar ze als microscopische sondes fungeerden. Met elke hartslag, de kleur van het licht dat deze lasers uitzenden veranderde met een kleine maar duidelijk waarneembare hoeveelheid, waardoor de samentrekkingen van de hartcellen in de loop van de tijd nauwkeurig worden gecodeerd.

Dr. Marcel Schubert, een Royal Society Research Fellow aan de School of Physics and Astronomy aan de University of St. Andrews, zei:"De kleurverandering kwam als een grote verrassing en wordt vermoedelijk veroorzaakt door een voorheen niet-herkende verandering in de cellulaire machinerie van de hartspiercellen."

Professor Malte Verzamel, van de School voor Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van St. Andrews, zei:"De gegevens die onze lasers leveren, lijken op het ECG dat uw arts registreert. Maar in ons geval, het bevat mechanische informatie over de innerlijke werking van een enkele cel, en het komt van dieper in het weefsel dan andere optische microscopen tegenwoordig kunnen zien."

Hoewel het onderzoek nog in de kinderschoenen staat, de huidige studie bewijst dat lasers snelle dynamische processen in individuele levende cellen en hele harten kunnen oplossen. Er zal meer werk nodig zijn voordat de nieuwe methode routinematig kan worden toegepast in onderzoekslaboratoria over de hele wereld, maar het team is optimistisch dat lasers in cellen een steunpilaar zijn.

De microlasers kunnen gemakkelijk in de miljoenen worden geproduceerd en vergeleken met veel moderne microscopen, de extra infrastructuur die nodig is om de laseremissie te analyseren is relatief goedkoop en, om andere laboratoria in staat te stellen hun methode te gebruiken en aan te passen, het team heeft al hun protocollen en de software gemaakt die de laseroutput omzet in een vrij verkrijgbaar Optisch ECG.

Het onderzoeksteam werkt al aan hun volgende mijlpaal om van een recent ontwikkelde nanolaser een optische sensor voor hartcontractie te maken. 1, zijn 000 keer kleiner dan de microlasers die in de huidige studie werden gebruikt, deze lasers zullen de veelzijdigheid en biocompatibiliteit verder vergroten, daarmee de weg vrijmakend voor toepassingen van de nieuwe methode in langetermijnstudies en in klinisch relevante harttherapieën.