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Pesquisadores realizam rastreamento óptico e elétrico simultâneo da atividade cardíaca

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Fonte

Universidade de Berna

Data

terça-feira, 12 outubro 2021 08:15

Áreas

Cardiologia. Engenharia Biomédica. Física Médica. Medicina.

Ainda não se sabe até que ponto as interações entre os diferentes tipos de células do coração influenciam o ritmo cardíaco normal e possivelmente desencadeiam arritmias com risco de vida. Um novo método de medição desenvolvido na Universidade de Berna, na Suíça, combina pela primeira vez o registro óptico e elétrico da ativação ventricular cardíaca que, em conjunto com a optogenética, permitirá encontrar respostas abrangentes para essas questões.

A função normal do coração é baseada em um marca-passo que gera impulsos elétricos (‘potenciais de ação’) que se espalham rapidamente por todo o músculo cardíaco, onde desencadeiam a contração que leva ao batimento cardíaco. No passado, presumia-se que a propagação dos potenciais de ação era controlada exclusivamente pelas células do músculo cardíaco. No entanto, descobertas recentes sugerem que outros tipos de células do coração, como células do tecido conjuntivo (‘fibroblastos’) e macrófagos, podem afetar adicionalmente a propagação do potencial de ação e, assim, desempenhar um papel significativo na determinação da função cardíaca. Essas descobertas foram obtidas por meio de um novo método denominado optogenética, que usa a luz para controlar o comportamento elétrico de tipos celulares definidos, como os fibroblastos, permitindo assim a avaliação de seu envolvimento no processo de ativação cardíaca.

Para permitir estudos optogenéticos abrangentes da atividade cardíaca, pesquisadores liderados pelo Dr. Stephan Rohr, do Departamento de Fisiologia da Universidade de Berna, desenvolveram um novo sistema experimental chamado sistema de ‘Medição e Estimulação Optoelétrica Panorâmica (POEMS)’. O sistema POEMS é o primeiro a permitir medições ópticas e elétricas simultâneas e estimulação que se estende por toda a superfície ventricular de corações de camundongos. Espera-se que os resultados obtidos com o sistema abram novas perspectivas no estudo da função cardíaca normal e na investigação dos mecanismos que causam arritmias cardíacas. O estudo que descreve o sistema foi publicado na revista científica Nature Communications.

Células do tecido conjuntivo como causa de arritmias cardíacas?

Experimentos de cultura celular mostraram anteriormente que as células do músculo cardíaco se comunicam com fibroblastos cardíacos ativados por meio de sinais elétricos e que essa interação leva a arritmias cardíacas. No entanto, ainda não se sabe se esse mecanismo também funciona em corações intactos, pois os métodos eletrofisiológicos convencionais não são adequados para investigar essa questão.

A falta de abordagens experimentais adequadas é superada atualmente pela optogenética, que permite uma interrogação direta sobre a presença e as consequências funcionais das interações celulares entre as células musculares e não musculares do coração. A presença de comunicação elétrica direta pode ser avaliada permitindo que tipos específicos de células, como os fibroblastos, expressem os chamados “repórteres de tensão optogenética”. Por outro lado, as consequências funcionais de tal acoplamento podem ser investigadas pela expressão de ‘atuadores de tensão optogenética’ nessas células e pela observação dos efeitos da ativação da luz na eletrofisiologia do coração inteiro. Atualmente, a condução de experimentos optogenéticos é complexa e exige muitos equipamentos. Além disso, não é possível combinar experimentos baseados em eletrodos com estudos ópticos, o que limita severamente a gama de experimentos possíveis.

Sistema POEMS cria novas possibilidades

“Com nosso sistema POEMS, todas essas desvantagens foram superadas, já que toda a superfície dos ventrículos é coberta com uma combinação de medição óptica e elétrica e locais de estimulação, o que permite combinações livres de ambas as modalidades”, explicou o professor Stephan Rohr, líder do estudo. O núcleo do novo sistema POEMS consiste em um copo do tamanho de um coração de camundongo, com sua superfície interna forrada por 294 fibras ópticas e 64 eletrodos. Todas as fibras ópticas e eletrodos podem ser configurados individualmente como locais de medição e estimulação, permitindo assim uma adaptação precisa de experimentos individuais aos requisitos específicos do repórter optogenético e do atuador usado em um determinado experimento.

Medições panorâmicas ópticas e elétricas simultâneas de ativação cardíaca usando corações de camundongos estimulados expressando repórteres de tensão optogenética demonstraram que o sistema POEMS fornece, independentemente da modalidade de medição, medições congruentes e altamente precisas da propagação do potencial de ação ventricular com diferenças entre tempos de ativação determinados eletricamente e opticamente menores que um milissegundo.

Indo além, o sistema POEMS foi desenhado com o objetivo de permitir uma experimentação simples e eficiente. “Com nossa abordagem ‘drop & go’, os experimentos podem ser iniciados imediatamente após o animal isolado ser colocado no recipiente de medição”, disse o Dr. Michael Rieger, coautor do estudo que desenvolveu o sistema junto com outros membros do Departamento de Fisiologia. O tratamento delicado dos corações, aumentando a taxa de sucesso dos experimentos, bem como o conteúdo de informação aumentado fornecido pelo sistema POEMS, também é relevante no que diz respeito aos princípios 3R (substituir, reduzir, refinar) porque o número de experimentos com animais necessários para responder a um dada questão pode ser substancialmente reduzida.

“Com o sistema POEMS instalado, estamos atualmente investigando a questão de saber se as arritmias cardíacas também podem ser causadas por células não musculares, como células ativadas do tecido conjuntivo”, disse o Dr. Stephan Rohr. Se for esse o caso, novos caminhos para o tratamento de arritmias cardíacas seriam abertos, uma vez que tipos de células diferentes das células musculares podem tornar-se alvos de terapias antiarrítmicas.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Berna (em inglês).

Fonte: Universidade de Berna. Imagem: Getty Images.

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