I ricercatori mappano le onde rotanti a spirale nei cuori umani vivi

I segnali elettrici dicono al cuore di contrarsi, ma quando questi segnali formano onde a spirale possono portare a eventi cardiaci pericolosi come tachicardia e fibrillazione. I ricercatori del Georgia Institute of Technology e i medici della Emory University School of Medicine stanno apportando una nuova comprensione di queste complicate condizioni con le prime visualizzazioni ad alta risoluzione di onde a spirale stabili nei ventricoli umani.

“I medici sanno da decenni che le onde a spirale dell’attività elettrica possono verificarsi nel cuore e i ricercatori hanno già fatto esperimenti in cuori animali e umani”, ha detto il professore della Scuola di Fisica Flavio Fenton. “Tuttavia, questa è la prima volta che l’evoluzione delle onde a spirale relativamente stabili di tensione e calcio nei ventricoli di cuori umani è stata mappata ad altissima risoluzione spaziale e temporale”.

Lo studio di cuori vivi di pazienti sottoposti a trapianto di cuore offre una rara finestra sul comportamento dettagliato del cuore in condizioni difficili da trattare come la fibrillazione. Di conseguenza, i medici possono comprendere meglio il modo in cui le onde a spirale iniziano e si mantengono, il che può portare a nuove terapie.

Il presente lavoro fa parte di una collaborazione decennale tra la Georgia Tech School of Physics e la Emory School of Medicine. I ricercatori hanno pubblicato i loro ultimi risultati, “Direct observation of a stable spiral wave reentry in ventricles of a whole human heart using optical mapping for voltage and calcium” e “Spiral wave breakup: La mappatura ottica in un cuore umano espiantato mostra la transizione dalla tachicardia ventricolare alla fibrillazione ventricolare e all’autoterminazione”, sulla rivista Heart Rhythm .

Mappatura del cuore

Per generare le condizioni per le onde a spirale, i ricercatori hanno applicato scosse elettriche temporizzate al cuore. Poi, per visualizzare e registrare le onde a spirale, hanno iniettato coloranti florescenti per la tensione e il calcio nel surrogato di sangue che mantiene in vita il cuore. I cambiamenti di intensità della luce consentono di registrare i segnali attraverso il tessuto cardiaco, una tecnica nota come mappatura ottica.

“In questo modo possiamo visualizzare simultaneamente il calcio e le onde elettriche nel cuore, misurando le variazioni di intensità luminosa come variazioni dirette del calcio e del voltaggio nelle cellule cardiache”, ha dichiarato Ilija Uzelac, ricercatore di fisica al Georgia Tech. “L’aspetto sorprendente di questa tecnica è che, utilizzando una telecamera ad alta risoluzione, possiamo ottenere misurazioni del voltaggio e del calcio con risoluzioni spaziali e temporali molto elevate, che non sarebbero possibili nemmeno utilizzando migliaia di elettrodi di registrazione intorno al cuore”.

Ogni cuore ha una condizione leggermente diversa che porta alla necessità di un trapianto, quindi i ricercatori possono studiare la dinamica delle onde a spirale con diversi tipi e gravità di malattia.

Collaborazione con i medici

Il gruppo di Fenton studia le onde a spirale nei cuori da oltre due decenni. Le onde a spirale sono un buon candidato per il campo della fisica della dinamica non lineare, dove i sistemi che sembrano imprevedibili non sono casuali ma caotici. È possibile sviluppare metodi per controllare e terminare le onde a spirale per fermare la fibrillazione con poca energia, come il gruppo di Fenton ha dimostrato teoricamente all’inizio di quest’anno.

In precedenza, il gruppo ha lavorato con pesci, rettili, anfibi e alcuni cuori di mammiferi. Tuttavia, grazie alla collaborazione con Emory, ha potuto studiare 10 cuori umani di pazienti trapiantati che hanno ricevuto un nuovo cuore nell’ultimo anno.

“Siamo molto fortunati ad avere questa forte collaborazione tra Emory e Georgia Tech per eseguire questi esperimenti”, ha detto Fenton. “Sono pochi i medici che, oltre a curare i pazienti, vogliono collaborare con i fisici per studiare le aritmie”.

La ricerca ha aperto gli occhi anche dal punto di vista medico.

“Avevo una visione semplicistica della fibrillazione ventricolare basata su ciò che vedo in clinica e su ciò che ho letto, ma in realtà osservare la fibrillazione ventricolare direttamente attraverso questi esperimenti dà una prospettiva diversa della complessità e di ciò che accade nella sua dinamica”, ha detto Shahriar Iravanian, cardiologo dell’Emory che fa parte del gruppo.

“La mappatura simultanea delle onde elettriche e chimiche nel cuore umano isolato offre una possibilità unica di studiare i meccanismi della morte cardiaca improvvisa a un nuovo livello funzionale e di associare i cambiamenti elettrici dinamici che caratterizzano le aritmie maligne alla patologia specifica e individuale dei pazienti”, ha dichiarato il dott. André G. Kléber, professore di patologia nel gruppo di biofisica delle malattie presso la A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences dell’Università di Harvard.

I ricercatori continuano a studiare i cuori espiantati e sperano di adattare gli esperimenti non solo alla scienza di base, ma anche al miglioramento dei trattamenti. Ad esempio, la maggior parte delle aritmie viene trattata con l’ablazione, bruciando il substrato dei circuiti difettosi, o con scosse elettriche; questa ricerca potrebbe rendere tali trattamenti più mirati e persino personalizzati. Tali progressi potrebbero avere enormi implicazioni per il futuro del trattamento delle aritmie cardiache, una delle principali cause di morte negli Stati Uniti.

“È difficile mappare la fibrillazione ventricolare a causa dell’instabilità del paziente e della complessità dei segnali”, ha dichiarato Neal Bhatia, professore assistente di medicina all’Emory e membro della collaborazione. “Questa ricerca ha potenziali complicazioni cliniche significative. Grazie alla mappatura dettagliata delle dinamiche delle onde spirali, possiamo comprendere meglio la loro evoluzione e, in ultima analisi, identificare se e come il cuore può essere trattato con migliori strategie di ablazione con catetere.”