Понимание молекулярных механизмов, которые лежат в основе клеточной гибели при развитии патологических состояний сердца, является важнейшей задачей для современных исследований в биологии и медицине, в том числе для поиска эффективных кардиопротекторных лекарств. Несмотря на большой объем экспериментальных данных, исследования метаболических изменений по-прежнему затруднены. Особенно это касается реакций, протекающих с участием соединений с высокой реакционной способностью.

Генетически кодируемые флуоресцентные биосенсоры позволили вывести медико-биологические исследования на новый уровень. Такие биосенсоры, которые по своей природе представляют белковые молекулы, позволяют регистрировать биохимические параметры в живых системах разного уровня сложности: от отдельных компартментов клетки до тканей целостных организмов in vivo.

В рамках данного проекта мы исследуем, как развивается динамика ацидоза и окислительного стресса в тканях сердца крыс при ишемически-реперфузионном повреждении и инфаркте миокарда. Для этого гены биосенсоров SypHer3s (регистрация pH) и HyPer7 (регистрация H₂O₂) будут доставлены в ткани сердца животных с помощью вирусных частиц, а затем, на фоне моделирования патологического состояния, регистрироваться с помощью прижизненной двухфотонной флуоресцентной микроскопии. Создаваемая в данном проекте платформа с применением генетически кодируемых биосенсоров в дальнейшем может применяться для выполнения широкого спектра задач по изучению процессов в тканях сердца в норме и патологии.

Технологии, позволяющие управлять активностью клеток, незаменимы для изучения клеточных основ сложных физиологических процессов. В последние двадцать лет на смену классическим методам химической и электрической стимуляции пришли подходы, основанные на использовании генетически кодируемых инструментов, таких как хемогенетика, оптогенетика и термогенетика. Термогенетика представляет собой технологию селективного управления активностью клеток, экспрессирующих термочувствительные белки, путем нагревания или охлаждения вблизи диапазона физиологических температур.

Нарушения ритма и проводимости сердца являются существенной медико-социальной проблемой. Так, например, при синдроме слабости синусового узла синоатриальный водитель ритма не генерирует импульсы с достаточной частотой, что приводит к снижению частоты сердечных сокращений и возникновению пауз в работе сердца. Эти паузы могут приводить к обморокам и быть потенциально жизнеугрожающими. Другие нарушения ритма могут приводить к внезапному развитию фибрилляции желудочков и гибели пациентов в течение минут.

В настоящее время существует потребность в подходах, позволяющих безболезненно купировать летальную аритмию. В качестве такого подхода мы применим способ управления ритмом сердца при помощи термогенетики, основанный на использовании термочувствительных ионных каналов. Данный подход отличается возможностью неинвазивной стимуляции сердца, что достигается доставкой в миокард генетических конструкций, содержащих кардиоспецифический промотор и последовательность, кодирующую канал суперсемейства TRP. Экспрессия таких каналов в кардиомиоцитах позволяет путём импульсного нагрева ИК-лазером навязывать ритм с желаемой частотой сердцу in vivo.

Данный проект является полностью оригинальным и имеет высокую степень научной новизны. Исследования в данной области являются, несомненно, высоко актуальными, а ожидаемые научные результаты полностью соответствуют современному тренду в области биомедицины. Полученные нами результаты внесут вклад в общее понимание патофизиологических процессов в тканях сердца при сердечно-сосудистых заболеваниях и будут представлять ценность не только для понимания фундаментальных механизмов, но и для разработки новых терапевтических подходов.