Bohr-opdagelse: Man kan måle den elektriske aktivitet i et fosterhjerte – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Bohr-opdagelse: Man ka...

01. november 2018

Bohr-opdagelse: Man kan måle den elektriske aktivitet i et fosterhjerte

Nyt diagnostisk værktøj:

Opdagelsen skal nu føre til udvikling af nyt udstyr – baseret på en indkapslet sky af grundstof-atomer. Udstyret vil blandt andet åbne mulighed for at diagnosticere specifikke hjerterytme-forstyrrelser allerede i fostertilstanden.

Glasbeholderen indeholder en gas af cæsium atomer, som bliver påvirket af magnetfeltet fra hjertet. Magnetfeltet detekteres ved hjælp af laserlys, som sendes gennem cæsium gassen.

Et hjerte ’kører’ på elektriske impulser, der sørger for, at hjertet pumper som det skal. Og når læger skal måle den elektriske aktivitet i et menneskes hjerte for at vurdere, om det arbejder tilfredsstillende, tager de derfor et elektrokardiogram, et EKG:

Patienten får monteret nogle elektroder på brystet, og udstyret giver en detaljeret udlæsning af den elektriske aktivitet i hjertet. Med den information kan lægerne for eksempel se, om patientens hjerte slår så uregelmæssigt, at der er tale om arytmi, som skal behandles – og i denne sammenhæng er EKG et fint diagnose-værktøj.

Når det handler om fostre, bliver det hele meget mere kompliceret - for man kan af gode grunde ikke montere elektroder på fosterets brystkasse, og derfor kan man heller ikke bruge EKG i denne sammenhæng.

I stedet vil lægerne typisk prøve at danne sig et billede af den elektriske aktivitet i fosterets hjerte ved hjælp af en ultralyds-skanning - men den kan ikke give noget præcist svar på, hvad der er galt, hvis et fosters hjerte eksempelvis slår for hurtigt eller for langsomt.

Øverst: Plastikbeholder med et isoleret hjerte fra et marsvin.
Nederst: Det målte magnetfelt fra hjertet.

Takket være et samarbejde mellem to grupper forskere fra Københavns Universitet – fra henholdsvis Center for Kvanteoptik (Quantop) ved Niels Bohr Institutet (NBI) og fra Biomedicinsk Institut – er det problem imidlertid ved at blive løst.

I en artikel, som de to grupper netop har offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Scientific Reports, forklarer de nemlig på basis af et forsøg udført på NBI, hvordan man helt ned i meget små detaljer kan få en udlæsning af den elektriske aktivitet i et fosterhjerte. Og det kan de vise, fordi de allierede sig med en sky af indkapslede atomer af grundstoffet cæsium.

”Nu skal vi så arbejde på at bygge denne teknik ind i en sensor, så vi ender med at få et diagnostisk værktøj, som lægerne kan bruge. Og det kan lade sig gøre”, siger adjunkt Kasper Jensen fra Quantop.

Sammen med Quantops leder, professor Eugene Polzik, har Kasper Jensen stået i spidsen for den del af forsøget, der involverer målinger ved hjælp af de indkapslede cæsium-atomer. Mens Bo Hjorth Bentzen, lektor og Ph.d. i humanbiologi, har været Biomedicinsk Instituts ankermand på forsøgets biologiske del – der handler om at bruge gnaver-hjerter fra marsvin.

Skyen af atomer

Den indkapslede sky af cæsium-atomer er hjørnestenen i en observations- og måleteknik, som Eugene Polzik og hans medarbejdere har beskæftiget sig med i en årrække – i forskellige sammenhænge.

Teknikken går, meget forenklet sagt, ud på at sende laserlys ved en bestemt frekvens gennem de indkapslede atomer – hvorved man kan foretage meget præcise målinger og observationer på kvanteniveau. Et af de projekter, der arbejdes med på Quantop, handler for eksempel om at bruge princippet til at udvide observationskapaciteten for udstyr, der registrerer tyngdebølger fra rummet.

Adjunkt Kasper Jensen og Prof. Eugene Polzik foran forsøgsopstillingen i kvanteoptik laboratoriet på Niels Bohr Institutet.

”Cæsium-atomerne, der er lukket inde i små glasrør eller ’æsker’, kan registrere meget små magnetfelter. Det er grunden til, at vi også begyndte at se på teknikken i relation til måling af den elektriske aktivitet i fosterhjerter. Her skal man altså måle på fosterets hjerte gennem den gravides mave – som et alternativ til traditionel EKG, der jo ikke kan anvendes i relation til fostre. Og vores forsøg viser, at det kan lade sig gøre – det er det, vi forklarer i artiklen i Scientific Reports”, siger Kasper Jensen.

Marsvinehjerter

For at gennemføre forsøget i Quantop-laboratoriet skulle der bruges nogle hjerter at måle på. Og disse hjerter fik Kasper Jensen og Eugene Polzik via samarbejdet med lektor Bo Hjorth Bentzen og hans medarbejdere på Biomedicinsk Institut.

Valget faldt på marsvinehjerter, som i størrelse minder om hjertet hos et menneskefoster i cirka 20. svangerskabsuge – og også på flere andre måder egner sig godt til forsøg af denne art, fortæller Bo Hjorth Bentzen, der er ekspert i hjerterytmemålinger: ”Marsvin har for eksempel en hjerterytme, der ligner et menneskefosters – mens hjerter fra mus og rotter slår langt hurtigere. Desuden minder en række af de proteiner, der er med til at styre hjertefunktioner hos marsvin, om de tilsvarende proteiner hos mennesker”.

Forskerne på Biomedicinsk Institut aflivede i løbet af forsøget – i nøje overensstemmelse med alle dyreetiske forskrifter – i alt seks marsvin. Dyrenes hjerter blev herefter taget ud, kølet ned – og så transporteret nogle få hundrede meter til Quantop-laboratoriet på NBI.

Her blev hjerterne gradvist varmet op til kropstemperatur – og blev derefter placeret i et særligt plexiglaskammer med konstant forsyning af saltvand og ilt. I dette miljø begyndte hjertet at slå – og det gjorde det i de næste tre-fire timer.

Opstillingen var placeret bag en magnetisk afskærmning, der holder al anden elektromagnetisk påvirkning ude – og mens hjertet slog, målte forskerne gennem plexiglas-væggen den elektriske udladning fra organet.

Ved at måle på denne måde – på cirka en centimeters afstand og uden at sætte elektroder på hjertet - efterlignede Quantop-forskerne en situation, hvor et fosters elektriske aktivitet i hjertet måles med et instrument, der placeres på den gravides mave.

For at sikre, at målingerne også kunne opfange signaler relateret til hjerteproblemer, tilsatte forskerne fra Biomedicinsk Institut et særligt kemikalie til det saltvand, som løbende blev pumpet ind i plexiglaskammeret. Der var tale om et stof, der ændrer det elektriske signal i hjertet – således som det sker ved den arvelige tilstand Lang QT – og det kunne systemet også registrere.

Behandlingsperspektiver

Hvis det via metoden fra NBI lykkes at fremstille et udstyr, der kan foretage EKG-undersøgelser af fostre, vil det kunne få stor behandlingsmæssig betydning, vurderer Niels Vejlstrup, overlæge på Rigshospitalets hjerteafdeling og specialist i hjerteproblemer hos fostre:

”For eksempel i forhold til AV-blok, som er en sjælden tilstand, der blokerer for visse elektriske impulser i hjertet. AV-blok kan opstå hos fosteret, hvis den gravide har lupus eller gigtlidelsen Sjögrens sygdom – og er der mistanke om, at barnet er ved at udvikle AV-blok, vil man behandle moren medicinsk for at beskytte fosteret bedst muligt. I dag kan vi kun vurdere, hvor hårdt hjertets ledningsbaner hos et foster er angrebet ved at foretage en ultralydsskanning, og den er behæftet med usikkerhed. Det er en direkte måling af hjertets elektriske aktivitet derimod ikke”, siger Niels Vejlstrup.

Rigshospitalet vil meget gerne være med til at udvikle den nye metode via kliniske forsøg, fortæller Niels Vejlstrup, og tilføjer, at metoden også vil kunne gøre tilsvarende stor gavn i forhold til at diagnosticere alle andre hjerterytmeforstyrrelser hos fostre.

Ved stuetemperatur

Rundt om i verden findes forskergrupper, der arbejder med avancerede målinger ved hjælp af eksempelvis superledende materialer eller grundstoffet rubidium. Disse metoder kræver imidlertid ekstreme temperaturforhold – enten måles der i nærheden af det absolutte nulpunkt på -273,15 C, eller også kommer den temperatur, udstyret arbejder ved, helt op i nærheden af +200 C.

”I begge tilfælde betyder det, at udstyret ’ikke bare’ kan bruges til at undersøge eksempelvis hjerterytmen hos et foster. Vores udstyr arbejder derimod ved stuetemperatur, og det er en fordel i den sammenhæng. Vi regner med, at vi i løbet af tre år vil være så langt, at lægerne kan begynde at måle den elektriske aktivitet i fosterhjerter ved hjælp af vores udstyr”, siger Kasper Jensen.

Den særlige målemetode vil også kunne indgå i andre former for biologiske registreringer, fortæller han: ”Man kan for eksempel forestille sig, at den kan bruges til at måle hjerneaktivitet i forbindelse med undersøgelse for epilepsi”.

Videnskabelig publikation: https://www.nature.com/articles/s41598-018-34535-z