[发明专利]一种基于上转化发光技术的心脏节律与功能的光控制系统

说明书

本发明公开了一种基于上转换发光技术的心脏节律与功能的光控制系统。该系统包括光敏蛋白表达系统、光学控制系统、心脏功能监测系统、中央控制系统。光敏蛋白表达系统包括光敏蛋白、病毒载体或非病毒载体、启动子及示踪荧光蛋白；光学控制系统包括上转换发光材料混合高分子材料形成的膜形结构和光输出装置；心脏功能监测系统指监测心脏节律和舒缩功能的装置；中央控制系统指接受心脏功能监测系统信号并根据程序控制向光学控制系统发放指令的装置；该系统以心脏为靶器官，实现光敏蛋白的心肌特异性表达，利用上转换发光材料结合近红外光程控输出，实施对心脏节律与功能的光学控制，进行心血管疾病机制及防治策略的研究与应用。

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于上转换发光技术进行心脏节律与功能的光控制系统。

背景技术

光遗传学是近年来倍受瞩目的一项生物工程技术，一项整合了光学、软件控制、基因操作技术等多学科交叉的生物工程技术。其主要原理是首先采用基因操作技术将光敏蛋白基因(如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等)转入到特定类型的细胞中进行特殊离子通道或G蛋白偶联受体的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。光遗传学技术充分结合了光学与遗传学的优势，即基因编辑技术的细胞精确性，特定单色光的微米级聚焦性，光敏通道电流微秒级的瞬变性，光传播的非介质依赖性。

光遗传学技术应用于心脏研究领域的关键步骤主要包括四个方面：①光敏感蛋白的选择，每一种光敏感蛋白均有其特定波长的活化光波，可引起细胞状态发生相应的功能变化，因此选择合适的光敏感蛋白可实现对心肌细胞兴奋和收缩的调控。②将光敏感蛋白表达于心脏，可采用病毒转染、非病毒转染、转基因动物、cre-依赖的表达体系等遗传学方法将光敏感蛋白表达于靶细胞。③光学控制技术的实施，以波长、功率、脉冲宽度、脉冲间歇、脉冲重复率等参数，确定调控靶细胞的最佳光控条件。④生物学效应评估，利用现有生物电记录技术、心脏收缩功能评价技术等评估光照对心肌细胞或心脏功能的调控效应。

心血管疾病是一种严重威胁人类健康的常见病，具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点。目前的治疗手段主要包括药物治疗、介入治疗、手术治疗及植入性电子装置等。其中植入性电子装置通过脉冲发生器定时发放一定频率的脉冲电流，通过导线和电极传输到电极所接触的心肌，使局部心肌细胞受到外来电刺激而产生兴奋，并通过细胞间的缝隙连接或闰盘连接向周围心肌传导，导致整个心房或心室兴奋并进而产生收缩活动。然而，该装置需要导线介质，在植入导线介质时会产生疼痛，也无法实现对心脏节律、同步收缩等的精准调控。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种利用上转换发光技术进行心脏节律与功能的光控制系统，可实施直接的或组织穿透性的心脏光学控制，将光遗传学技术运用于心脏电生理和收缩功能调控、疾病机制及防治策略的研究与应用。

为实现此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于上转换发光技术进行心脏节律与功能的光控制系统，该系统包括表达于心脏的光敏蛋白表达系统、光学控制系统、与心脏相连的心脏功能监测系统、中央控制系统；所述光敏蛋白表达系统，包括光敏蛋白、载体、启动子及示踪荧光蛋白；所述光学控制系统包括上转换发光材料混合高分子材料形成的膜形结构和埋植于皮下或置于体外与心脏接近的光输出装置；其中中央控制系统接受心脏功能监测系统测得的心电血流信号，根据程序设定向光输出装置发放指令，近红外光即NIR直接或间接投射至上转换发光材料混合高分子材料形成的膜形结构，转换出相应波长的光波，作用于光敏蛋白表达系统靶向的心脏。