Investigadores mapean ondas espirales giratorias en corazones humanos vivos

Las señales eléctricas le indican al corazón que se contraiga, pero cuando las señales forman ondas en espiral, pueden provocar eventos cardíacos peligrosos como taquicardia y fibrilación. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y médicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Emory están aportando una nueva comprensión de estas complicadas condiciones con las primeras visualizaciones de alta resolución de ondas espirales estables en ventrículos humanos.

«Los médicos han sabido durante décadas que las ondas espirales de actividad eléctrica pueden ocurrir en el corazón, y los investigadores han realizado experimentos en corazones animales y humanos antes», dijo el profesor de la Facultad de Física Flavio Fenton. «Sin embargo, esta es la primera vez que se mapea la evolución de ondas espirales relativamente estables de voltaje y calcio en los ventrículos de los corazones humanos con una resolución espacial y temporal muy alta».

El estudio de corazones vivos de pacientes con trasplante de corazón ofrece una rara ventana al comportamiento detallado del corazón durante condiciones que son difíciles de tratar como la fibrilación. Como resultado, los médicos pueden obtener una mejor comprensión de cómo comienzan y se mantienen las ondas espirales, lo que puede conducir a nuevas terapias.

El presente trabajo ha sido parte de una colaboración de una década entre la Escuela de Física de Georgia Tech y la Escuela de Medicina de Emory. Los investigadores publicaron sus últimos hallazgos, «Observación directa de una reentrada de onda espiral estable en los ventrículos de un corazón humano completo usando mapeo óptico para voltaje y calcio» y «Ruptura de onda espiral: el mapeo óptico en un corazón humano explantado muestra la transición de la taquicardia ventricular a la fibrilación ventricular y la autoterminación», en la revista Ritmo cardiaco.

Mapeando el corazón

Para generar las condiciones para las ondas espirales, los investigadores aplicaron descargas eléctricas cronometradas al corazón. Luego, para visualizar y registrar las ondas espirales, inyectaron tintes fluorescentes para voltaje y calcio en el sustituto de la sangre que mantiene vivo al corazón. Los cambios en la intensidad de la luz les permiten registrar señales en el tejido del corazón, una técnica conocida como mapeo óptico.

«De esta manera, podemos visualizar simultáneamente el calcio y las ondas eléctricas en el corazón al medir los cambios en la intensidad de la luz como cambios directos en el calcio y el voltaje en las células cardíacas», dijo Ilija Uzelac, científica investigadora de física en Georgia Tech. «Lo sorprendente de esta técnica es que mediante el uso de una cámara de alta resolución, podemos obtener mediciones de voltaje y calcio en resoluciones espaciales y temporales muy altas que no podrían ser posibles incluso utilizando miles de electrodos de registro alrededor del corazón».

Cada corazón tiene una condición ligeramente diferente que lleva a la necesidad de un trasplante, por lo que los investigadores pueden investigar la dinámica de las ondas espirales con diferentes tipos y gravedades de la enfermedad.

Colaboración con los médicos

El grupo de Fenton ha estado estudiando las ondas espirales en los corazones durante más de dos décadas. Las ondas espirales son un buen candidato para el campo de la física de la dinámica no lineal, donde los sistemas que parecen impredecibles no son aleatorios sino caóticos. Se pueden desarrollar métodos para controlar y terminar las ondas espirales para detener la fibrilación con poca energía, como demostró teóricamente el grupo de Fenton a principios de este año.

Previamente, el grupo ha trabajado con peces, reptiles, anfibios y algunos corazones de mamíferos. Sin embargo, gracias a la asociación con Emory, pudieron estudiar 10 corazones humanos de pacientes trasplantados que recibieron un corazón nuevo el año pasado.

«Somos muy afortunados de contar con esta sólida colaboración entre Emory y Georgia Tech para realizar estos experimentos», dijo Fenton. «Hay muy pocos médicos que, además de tratar a los pacientes, quieran asociarse con físicos para investigar las arritmias».

La investigación también ha sido reveladora desde un punto de vista médico.

«Tenía una visión simplista de la fibrilación ventricular basada en lo que veo en la clínica y lo que he leído, pero mirar la fibrilación ventricular directamente a través de estos experimentos da una perspectiva diferente de la complejidad y de lo que está pasando con su dinámica». dijo Shahriar Iravanian, un cardiólogo de Emory en el grupo.

«El mapeo de ondas eléctricas y químicas simultáneamente en el corazón humano aislado ofrece una posibilidad única para investigar los mecanismos de muerte cardíaca súbita en un nuevo nivel funcional y asociar los cambios eléctricos dinámicos que caracterizan las arritmias malignas a la patología específica e individual de los pacientes», dijo el Dr. André G. Kléber, Profesor de Patología en el Grupo de Biofísica de Enfermedades de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas A. Paulson de la Universidad de Harvard.

Los investigadores continúan estudiando corazones explantados y esperan adaptar los experimentos no solo para la ciencia básica sino también para mejorar los tratamientos. Por ejemplo, la mayoría de las arritmias se tratan mediante ablación, quemando el sustrato de los circuitos defectuosos o descargas eléctricas, y esta investigación podría hacer que dichos tratamientos sean más específicos e incluso personalizados. Tales avances podrían tener enormes implicaciones para el futuro del tratamiento de las arritmias cardíacas, una de las principales causas de muerte en los EE. UU.

«Es difícil mapear la fibrilación ventricular debido a la inestabilidad del paciente y la complejidad de las señales», dijo Neal Bhatia, profesor asistente de medicina en Emory y miembro de la colaboración. «Esta investigación tiene posibles complicaciones clínicas significativas. Mediante un mapeo detallado de la dinámica de las ondas espirales, podemos comprender mejor su evolución y, en última instancia, identificar si el corazón puede tratarse con mejores estrategias de ablación con catéter y cómo hacerlo».