Det låter som science fiction – men lasrar som slår till rytmen av ett levande hjärta är precis vad forskare vid University of St Andrews har utvecklat för att förbättra förståelsen av hjärtsvikt och hjälpa till att utveckla mer effektiva behandlingar.

Att leda ett tvärvetenskapligt team av forskare, Dr Marcel Schubert och professor Malte Gather från School of Physics and Astronomy och Dr Samantha Pitt från School of Medicine vid University of St Andrews, inbäddade små lasrar i individuella hjärtceller, och genom att analysera ljuset som dessa lasrar producerar övervakade de hjärtmuskelns sammandragningar.

Forskningen, publicerad i Nature Photonics i dag, kommer det år då lasern firar 60 år sedan dess uppfinning.

För att kontrollera hjärtats funktion, läkare tar patientens puls, mäta blodtrycket, eller ta ett elektrokardiogram (EKG) som ger information om hjärtats funktion och rytm som helhet, men ger lite information om vad som händer i de olika delarna av hjärtat.

Ekokardiogram och andra sofistikerade metoder kan ge mer lokal information, men ytterligare framsteg, särskilt för behandlingar som utforskar stamceller eller transplanterad vävnad, kommer att kräva att följa sammandragningarna av de individuella cellerna som bildar hjärtmuskeln.

Att uppnå detta, åtminstone i djurmodeller som rutinmässigt används för att studera kritiska hjärtsjukdomar som vanligtvis ses hos mänskliga patienter, lovar förbättrad förståelse och därmed mer effektiv behandling.

Lasrar används i stor utsträckning inom biomedicinsk bildbehandling, lösa allt finare detaljer i livet, inklusive kartläggningsdetaljer i hjärtceller. Men eftersom lasrar vanligtvis är stora och kraftkrävande, de sitter utanför hjärtat och kan bara skicka sitt ljus till ytan av den biologiska vävnaden, vilket kraftigt begränsar hur djupt de kan titta.

I detta senaste verk, små lasrar placerades inuti hjärtat där de fungerade som mikroskopiska sonder. Med varje hjärtslag, färgen på ljuset som dessa lasrar sänder ut ändrades med en liten men tydligt detekterbar mängd, kodar alltså exakt hjärtcellernas sammandragningar över tid.

Dr Marcel Schubert, en Royal Society Research Fellow vid School of Physics and Astronomy vid University of St Andrews, sa:"Färgförändringen kom som en stor överraskning och tros vara orsakad av en tidigare okänd förändring i hjärtmuskelcellernas cellulära maskineri."

Professor Malte Samla, från School of Physics and Astronomy vid University of St Andrews, sa:"De data som våra lasrar ger liknar det EKG som din läkare registrerar. Men i vårt fall, den innehåller mekanisk information om det inre arbetet i en enda cell, och det kommer från djupare i vävnaden än vad andra optiska mikroskop kan se idag."

Även om forskningen fortfarande är i början, den aktuella studien bevisar att lasrar kan lösa snabba dynamiska processer inuti individuella levande celler och hela hjärtan. Mer arbete kommer att krävas innan den nya metoden kan tillämpas rutinmässigt i forskningslabb runt om i världen, men teamet är optimistiskt att lasrar i celler är en stöttepelare.

Mikrolasrarna kan lätt tillverkas i miljontals och jämfört med många moderna mikroskop, den ytterligare infrastruktur som krävs för att analysera laseremissionen är relativt billig och, för att tillåta andra laboratorier att använda och ändra sin metod, teamet har gjort alla sina protokoll och programvaran som omvandlar laserutgången till ett fritt tillgängligt optiskt EKG.

Forskargruppen arbetar redan mot sin nästa milstolpe att förvandla en nyligen utvecklad nanolaser till en optisk sensor för hjärtkontraktion. Att vara 1, 000 gånger mindre än de mikrolasrar som används i den aktuella studien, dessa lasrar kommer att ytterligare öka mångsidigheten och biokompatibiliteten, därmed banar väg för tillämpningar av den nya metoden i långtidsstudier och i kliniskt relevanta hjärtterapier.