Come inizia a battere il cuore

Questo processo è particolarmente drammatico nel cuore, dove le cellule statiche devono iniziare a battere in perfetto unisono.

Ora, una collaborazione interscolastica guidata da ricercatori della Harvard Medical School e dell’Università di Harvard ha fornito uno sguardo su come esattamente le cellule del cuore iniziano a battere.

In uno studio condotto sul pesce zebra, il team ha scoperto che le cellule cardiache iniziano a battere all’improvviso e all’improvviso man mano che aumentano i livelli di calcio e i segnali elettrici. Inoltre, hanno scoperto i ricercatori, ogni cellula cardiaca ha la capacità di battere da sola, senza pacemaker, e il battito cardiaco può iniziare in punti diversi. I risultati sono stati pubblicati il ​​27 settembre in Natura.

“Le persone attribuiscono una tale importanza al battito cardiaco che è stato un punto focale delle indagini per molto tempo, ma questa è la prima volta che siamo in grado di esaminarlo in profondità con così tanta risoluzione”, ha affermato il co-autore senior Sean Megason, professore di biologia dei sistemi presso l’Istituto Blavatnik dell’HMS.

Conoscere i meccanismi fondamentali alla base del battito cardiaco può essere intrinsecamente interessante per il biologo curioso, ma è anche fondamentale per capire cosa sta succedendo in situazioni in cui il sistema cardiaco che regola il battito cardiaco non si sviluppa correttamente o inizia a funzionare male.

“Il cuore batte circa 3 miliardi di volte in una vita umana tipica, e non deve mai fermarsi”, ha detto il co-autore senior Adam Cohen, professore di chimica e biologia chimica e di fisica ad Harvard. “Volevamo vedere come si accende per la prima volta questa incredibile macchina.”

Dritto al cuore

I ricercatori non si proponevano di studiare come inizia a battere il cuore. Piuttosto, stavano cercando una questione scientifica che unisse l’esperienza del laboratorio Cohen nell’imaging dell’attività elettrica con l’interesse del laboratorio Megason nello studio di come le cellule nello sviluppo del pesce zebra imparano a comunicare e cooperare.

La loro ricerca li ha portati dritti al cuore.

Si sono resi conto che, nonostante millenni di ricerca sullo sviluppo del cuore, che risalgono alle osservazioni di Aristotele sui pulcini, i dettagli di come le cellule cardiache iniziano a battere erano ancora un mistero, che avrebbero potuto potenzialmente risolvere.

“Volevamo rispondere a una domanda fondamentale: come fanno le cellule cardiache a passare dal silenzio al battito?” Ha spiegato Megason. “Quando il tuo cuore inizia a battere è un evento irripetibile, ma non è ovvio come ciò accada.”

Si trattava di uno studio esplorativo, hanno osservato i ricercatori, quindi non sapevano cosa avrebbero scoperto. Forse alcune cellule avrebbero iniziato a battere e l’area pulsante sarebbe cresciuta lentamente, hanno ipotizzato, oppure diverse parti del cuore avrebbero iniziato a battere in modo indipendente e alla fine si sarebbero unite, oppure il cuore avrebbe iniziato con battiti deboli che si sarebbero rafforzati nel tempo.

A quanto pare, la risposta non era nessuna delle precedenti.

Utilizzando proteine ​​fluorescenti e imaging al microscopio ad alta velocità, i ricercatori hanno catturato i cambiamenti nei livelli di calcio e nell’attività elettrica nelle cellule cardiache degli embrioni di pesce zebra in via di sviluppo. Con loro sorpresa, hanno scoperto che tutte le cellule cardiache sono passate improvvisamente dal non battere al battito – caratterizzato da picchi simultanei di calcio e segnali elettrici – e hanno immediatamente iniziato a battere in sincronia.

“Era come se qualcuno avesse premuto un interruttore”, ha descritto Cohen.

Ulteriori esperimenti hanno rivelato che per ogni battito cardiaco, una regione del cuore si attiva per prima, avviando un’onda di elettricità che scorre rapidamente attraverso il resto delle cellule e le spinge ad attivarsi.

È interessante notare che i battiti cardiaci iniziavano da punti diversi in diversi pesci zebra, suggerendo che non c’è nulla di unico nelle cellule che si attivano per prime. Questa scoperta era controintuitiva perché le cellule nei cuori adulti si comportano diversamente.

“A differenza del cuore adulto, dove una popolazione specializzata di cellule pacemaker guida il battito cardiaco, la maggior parte delle cellule nel cuore embrionale hanno la capacità di battere da sole, rendendo difficile prevedere la posizione dei primi battiti”, ha affermato l’autore principale Bill Jia. , uno studente laureato congiunto nei laboratori Cohen e Megason.

Poiché le cellule cardiache iniziano a battere istantaneamente, devono sviluppare la capacità di battere e percepire il battito dei vicini prima del loro primo battito cardiaco, qualcosa che Megason paragona a un esercito che deve iniziare a marciare in sincronia senza prima esercitarsi.

“Il cuore impara prima a tenere il passo senza orologio, e le singole cellule imparano prima a cooperare senza concordare quali siano i loro ruoli”, ha aggiunto Jia. “È molto importante che il battito cardiaco sia regolare, ma si organizza molto rapidamente all’inizio della vita da quello che sembra essere un caos totale.”

I pesci zebra in via di sviluppo offrono un modello conveniente per studiare il cuore perché sono trasparenti, crescono rapidamente (sviluppando un battito cardiaco in sole 24 ore) e possono essere fotografati a dozzine. Tuttavia, Megason ritiene che lo stesso processo di sviluppo possa essere conservato in tutte le specie, compreso l’uomo.

Questa scoperta, ha osservato il team, apre la porta a saperne di più sullo sviluppo del battito cardiaco tra le specie e potrebbe un giorno illuminare il modo in cui si verificano irregolarità cardiache come le aritmie negli esseri umani.

“Osservando come si sviluppa il cuore, possiamo vedere come si stratificano i diversi meccanismi di controllo, il che potrebbe dirci qualcosa su cosa succede se si rompono”, ha detto Megason.