Сердца «бегают» от электрических импульсов – и когда врачи измеряют электрическую активность в сердце человека, чтобы определить его или ее состояние сердца, они обычно полагаются на электрокардиографию (ЭКГ):
Электроды помещаются в область груди пациента для регистрации сердечной электрической активности – e.грамм. определить, настолько ли нерегулярен сердечный ритм, что требуется лечение; вид медицинского обследования, при котором ЭКГ служит диагностическим инструментом.
Не совсем так, когда дело доходит до исследования электрической активности сердца плода – по той очевидной причине, что невозможно разместить электроды в области груди плода, что делает ЭКГ недопустимой. Вместо этого врачи обычно пытаются получить представление об электрической активности сердца с помощью ультразвукового сканирования; который, однако, не даст точных ответов о том, что не так, если сердце e.грамм. биться слишком быстро или слишком медленно.
В обозримом будущем эти проблемы, связанные с исследованием электрической активности сердца плода, будут решены благодаря совместным усилиям двух групп ученых из Копенгагенского университета: из квантовой оптики (Quantop) в Институте Нильса Бора (NBI) и от Департамента биомедицинских наук, соответственно.
В исследовательской статье, которую обе группы только что опубликовали в журнале Scientific Reports, они описывают эксперимент, демонстрирующий, что действительно возможно получить подробные данные об электрической активности сердца плода. То есть, если вы объединитесь с облаком атомов цезия, запертым в герметично закрытой стеклянной ячейке.
"Наша следующая задача – включить этот метод в диагностический датчик – и это выполнимо", говорит доцент Каспер Дженсен, Quantop.
Каспер Йенсен и профессор Юджин Ползик, глава Quantop, отвечали за эксперимент, поскольку тесты, проведенные с помощью заблокированных атомов цезия,. В то время как Бо Хьорт Бенцен, доцент кафедры биомедицинских наук, координировал биологическую часть эксперимента, которая включает использование изолированных сердец морских свинок.
Облако атомов
Запертое облако атомов цезия является краеугольным камнем техники, разработанной для наблюдений и измерений, которую Юджин Пользик и его команда в Quantop совершенствовали в течение ряда лет и применяли для решения ряда задач.
Проще говоря, этот метод позволяет чрезвычайно точные наблюдения и измерения на квантовом уровне – если лазерный свет на определенных длинах волн проходит через облако заблокированных атомов. Таким образом, один проект, в котором сейчас участвует Quantop, направлен на повышение мощности детекторов гравитационных волн с помощью «принципа облака атомов».
"Запертые атомы цезия способны обнаруживать очень слабые магнитные поля. По этой причине мы также начали изучать этот метод как возможный способ измерения электрической активности сердца плода – через живот беременной женщины. И наши эксперименты демонстрируют, что это действительно возможно – что мы также делаем вывод в нашей статье в Scientific Reports", говорит Каспер Дженсен.
Сердца морской свинки
Для проведения экспериментов ученым-квантопам потребовались сердца, которые они могли измерить – и эти сердца были предоставлены доцентом Бо Хьортом Бенценом и его командой из Департамента биомедицинских наук.
Они выбрали сердца морских свинок, которые по размеру схожи с сердцами человеческого плода на сроке беременности примерно 20 недель – и в ряде других аспектов также хорошо подходят для такого рода экспериментов, – говорит Бо Хьорт Бенцен, специализирующийся на сердце. ритм-анализ:
"У морских свинок сердечный ритм довольно близок к ритму человеческого плода, и ряд белков, которые регулируют функции сердца у морских свинок, напоминают соответствующие белки у людей".
Во время эксперимента ученые Департамента биомедицинских наук усыпили в общей сложности шесть морских свинок в соответствии с протоколами, утвержденными Датским ветеринарным и продовольственным управлением. Сердца были удалены у животных хирургическим путем, охлаждались и затем транспортировались в лабораторию Quantop в NBI всего в нескольких сотнях метров от отеля.
В Quantop сердца постепенно нагревали до температуры тела, а затем помещали в камеру из оргстекла с постоянной подачей кислорода и воды в виде соленого раствора. Эта среда заставила сердца морских свинок биться, что они обычно и делали в течение следующих трех-четырех часов.
Оборудование было размещено за магнитным экраном, чтобы уберечь от внешней электромагнитной активности – и пока сердце билось, ученые измерили электрическую активность органа через стену из оргстекла.
Измеряя таким образом – на расстоянии примерно одного сантиметра и без прикрепления электродов к сердцу – ученые Quantop имитировали ситуацию, когда электрическая активность сердца плода регистрируется с помощью прибора, помещенного непосредственно на живот беременной женщины.
Чтобы показать, что оборудование способно обнаруживать электрические сигналы, возникающие из-за проблем с сердцем, группа ученых из отдела биомедицинских наук добавила химическое вещество в солевой раствор, который непрерывно закачивался в камеру из оргстекла. Это химическое вещество изменяет электрический сигнал в сердце (вызывая реакцию, аналогичную той, что наблюдается в связи с синдромом удлиненного интервала QT, наследственным заболеванием сердца), который система также полностью смогла обнаружить.
Будущее лечение
Новое оборудование, которое может проводить ЭКГ-исследования плода на основе метода NBI, может иметь большое значение для будущего лечения, говорит Нильс Вейлструп, MD, Ph.d, и специалист по лечению проблем с сердцем плода в кардиологическом отделении Rigshospitalet в Копенгагене:
"Такое оборудование может повлиять на e.грамм. AV-блокада – редкое состояние, при котором в сердце блокируются определенные электрические импульсы. AV-блокада может развиться у плода, если мать страдает волчанкой или болезнью Шегрена – и если врачи подозревают, что у плода развивается AV-блокада, они начнут лечить мать с медицинской точки зрения, пытаясь защитить плод. Однако в настоящее время у нас есть только один вариант, чтобы оценить, насколько серьезно повреждена проводящая система сердца плода, а именно провести ультразвуковое сканирование. Этот метод сопряжен с неопределенностью, чего нельзя сказать о прямом измерении электрической активности сердца плода", говорит доктор. Вейлструп.
Rigshospitalet стремится участвовать в клинических испытаниях с целью разработки нового метода, – говорит Нильс Вейлструп, добавляя, что метод будет одинаково полезен при диагностике всех других типов нарушений сердечного ритма плода.
При комнатной температуре
Во всем мире группы ученых разрабатывают передовые измерительные системы – в некоторых случаях на основе сверхпроводников или рубидия, химического элемента. Однако для этих методов требуются экстремальные температуры – близкие к абсолютному нулю при -273.15 C, или около +200 C.
"В обоих случаях температура не позволяет использовать методику «просто» в оборудовании, предназначенном для обнаружения электронных.грамм. сердечный ритм плода. Наше оборудование, с другой стороны, работает при комнатной температуре, что в данном контексте является преимуществом. По нашим оценкам, в течение трех лет врачи смогут начать использовать наше оборудование для измерения электрической активности сердца плода", говорит Каспер Дженсен.
По его словам, принцип, лежащий в основе этого метода, также будет применим к другим формам биологических регистраций и экспертиз: "E.грамм. измерение активности мозга при поиске признаков эпилепсии".