Cardiac cells photostimulation through molecular photoswitches

Optical stimulation is emerging as a promising technology to restore healthy heartbeats, with potential improvements over traditional electronic device therapy. In this respect, molecular photoswitches are rapidly spreading as the new frontier of non-genetic approaches for cardiac photostimulation. This work provides evidence of the capability of a light-sensitive azobenzene compound, named Ziapin2, in modulating the contraction behavior of differentiated cardiomyocytes. Video recordings collected with optical microscopy demonstrate that Ziapin2-loaded cardiac cells increase their contraction rate upon illumination and that this effect is reversible and repeatable. Although at present few is known about the biological mechanism involved, preliminary patch-clamp experiments and localization assays have confirmed that it should be different from the membrane-related opto-mechanical effect observed in other cellular models. Further studies are required to fully understand the phenomenon and translate this nanoscale tool towards a more complex model of cardiac tissue.

La stimolazione ottica sta emergendo come promettente tecnologia per la gestione di alcune aritmie cardiache, con importanti vantaggi rispetto alle tradizionali terapie basate sulla stimolazione elettrica. In questo contesto, l’utilizzo di fotoswitch molecolari costituisce la nuova frontiera della stimolazione ottica non genetica. Questo lavoro di tesi ha dimostrato la capacità di una molecola fotosensibile, chiamata Ziapin2, di modulare la frequenza di contrazione di cellule cardiache differenziate. Dall’analisi dei video raccolti con un microscopio ottico è stato osservato come la fotostimolazione di cellule cardiache caricate con il fotocromico sia responsabile di un incremento significativo della loro contrattilità, con un effetto reversibile e ripetibile. Al momento, il meccanismo biologico alla base di questa risposta funzionale resta ancora da indagare, sebbene i dati preliminari raccolti con esperimenti di elettrofisiologia e di localizzazione abbiano permesso di escludere che il processo biologico coinvolto sia uguale a quello osservato in altri modelli cellulari. Ulteriori esperimenti devono essere condotti per consentire la traslazione di questa tecnologia a modelli più complessi del tessuto cardiaco.