Immagine: dalle immagini degli ultrasuoni (a sinistra), i ricercatori di Max Planck hanno ricostruito il modo in cui il muscolo cardiaco si contrae a vortice (al centro) nell’aritmia cardiaca ( fibrillazione).
Ogni cinque minuti nella sola Germania, una persona muore per arresto cardiaco improvviso o fibrillazione, la causa più comune di morte in tutto il mondo. Ciò è in parte dovuto al fatto che i medici non capiscono ancora esattamente cosa succede nel cuore durante l’evento. Fino ad ora, era impossibile visualizzare i processi dinamici nel muscolo cardiaco fibrillante o nel miocardio. Nella pubblicazione odierna su Nature, un team internazionale di ricercatori guidati da Jan Christoph e Stefan Luther dell’Istituto Max Planck e Gerd Hasenfuß del Centro cardiaco presso il Centro medico universitario di Göttingen, mostrano per la prima volta come i vortici come le contrazioni rotanti che sono alla base della fibrillazione ventricolare potenzialmente letale possono essere osservati all’interno del cuore con l’aiuto di una nuova tecnica di imaging, che può essere utilizzata con le apparecchiature a ultrasuoni esistenti. In futuro, questa tecnica di imaging di nuova concezione può aiutare i medici a identificare i disturbi del ritmo cardiaco aiutandoli a comprendere meglio la malattia cardiaca e sviluppare ulteriormente nuovi metodi più efficaci per il trattamento.
Quando il muscolo cardiaco non si contrae più in modo coordinato, ma semplicemente si “agita’ – si sviluppa una condizione definita medicalmente ” fibrillazione “, una situazione pericolosa per la vita: se i ventricoli, le camere principali del cuore, si agitano in modo disordinato, c’è solo un’opportunità per un intervento medico: il cuore deve essere defibrillato in pochi minuti con un forte shock che è molto doloroso e può danneggiare il tessuto del cuore. La fibrillazione degli atri, d’altra parte, non è direttamente pericolosa per la vita, tuttavia, se non trattata può avere conseguenze disastrose. Per oltre 100 anni, i ricercatori hanno cercato di comprendere i meccanismi alla base della fibrillazione in modo da migliorare le opzioni di trattamento “. La chiave per una migliore comprensione della fibrillazione si trova in una nuova tecnica di imaging ad alta risoluzione che consente di osservare i processi all’interno del muscolo cardiaco “, afferma Stefan Luther, leader del gruppo di ricerca sulla fisica biomedica presso l’Istituto Max Planck e Professore presso il Centro medico universitario di Göttingen.
Svolta diagnostica
“I movimenti meccanici del miocardio durante la fibrillazione sono molto complessi, ma sono anche altamente caratteristici – quasi un’impronta digitale di fibrillazione”, afferma Jan Christoph, ricercatore dell’ Istituto Max Planck l e Centro medico universitario di Göttingen e autore principale dello studio. Insieme a Stefan Luther e ad un team internazionale di ricercatori, il fisico ha presentato un metodo di imaging che consente al miocardio fibrillante di essere visivamente risolto nel tempo in tre dimensioni, e quindi molto più accuratamente di quanto fosse possibile in precedenza – e lo fa usando apparecchiature ad ultrasuoni ad alta risoluzione clinicamente disponibili.
Il nuovo metodo diagnostico aiuterà a rendere più efficace il trattamento della fibrillazione ventricolare e possibilmente anche della fibrillazione atriale. La migliore comprensione della fibrillazione, che può essere ottenuta con la nuova procedura, potrebbe aiutare a far progredire lo sviluppo di nuove tecniche di defibrillazione. Nella defibrillazione a bassa energia, ad esempio, gli impulsi elettrici utilizzati per arrestare la fibrillazione sono molto più deboli, ma molto più mirati rispetto al metodo attuale, molto doloroso, che utilizza scariche elettriche ad alta energia. Con la nuova forma di imaging ad ultrasuoni, i ricercatori potrebbero imparare come utilizzare impulsi a bassa energia per ripristinare il normale ritmo cardiaco.
I ricercatori di Göttingen stanno ora perfezionando il metodo in modo da visualizzare le complesse dinamiche di eccitazione che si verificano durante la fibrillazione atriale. In futuro, i cardiologi saranno in grado di vedere esattamente dove devono essere rimossi i focolai patologici di eccitazione mediante ablazione. Il nuovo metodo a ultrasuoni può anche essere utile nella ricerca, nella diagnosi e nel trattamento dell’insufficienza cardiaca, durante la quale le cellule del miocardio non funzionano in modo efficace quando i loro movimenti contrattili coordinati vengono interrotti. I medici sarebbero in grado di determinare le cause con l’aiuto di ecografie dettagliate che consentono loro di rilevare l’insufficienza cardiaca precocemente e trattarla in modo più efficace.
Le onde elettriche causano contrazioni meccaniche del cuore
Ogni battito cardiaco viene attivato da onde elettriche di eccitazione che si propagano attraverso il miocardio ad alta velocità e fanno contrarre le cellule del miocardio. Se queste onde diventano turbolente, il risultato è un’aritmia cardiaca. I medici sanno da tempo che nelle aritmie cardiache le onde elettriche rotazionali dell’eccitazione turbinano attraverso il muscolo cardiaco. Fino ad ora, le loro indagini sulle aritmie cardiache si sono concentrate su tali vortici elettrici. Tuttavia, i ricercatori non sono stati in grado di accertare un quadro completo delle dinamiche, né in laboratorio né in ambito clinico. I ricercatori MPIDS hanno adottato un approccio diverso. Invece di concentrarsi sulla stimolazione elettrica, hanno osservato le contrazioni contratte del fibrillare del miocardio. “Fino ad ora, poca importanza è stata attribuita all’analisi delle contrazioni muscolari e delle deformazioni durante la fibrillazione. Nelle nostre misurazioni, tuttavia, abbiamo visto che i vortici elettrici sono sempre accompagnati da corrispondenti deformazioni meccaniche a forma di vortice “, spiega il fisico Jan Christoph.
Fibrillazione ventricolare in 3-D
Per visualizzare le fibrillazioni all’interno del muscolo cardiaco in tre dimensioni e correlarle con l’eccitazione elettrica del cuore, i ricercatori hanno sviluppato nuovi metodi di misurazione ad ultrasuoni ad alta risoluzione. Hanno anche dimostrato che questi metodi possono essere utilizzati in apparecchiature ad ultrasuoni ad alte prestazioniche già in uso di routine in molte istituzioni di cardiologia. Analizzando i dati di immagine delle contrazioni muscolari, sono stati in grado di osservare esattamente come le aree delle cellule muscolari contratte e rilassate si muovono in un vortice attraverso il miocardio durante la fibrillazione. Hanno anche osservato strutture simili a filamenti che in precedenza erano noti ai fisici solo in teoria e da simulazioni al computer. Una simile struttura simile a un filamento assomiglia a un filo e segna l’occhio dell’onda o del ciclone simile a mulinelli che si muovono attraverso il miocardio. È ora possibile per la prima volta individuare questi centri dei vortici all’interno del miocardio.
Oltre alle scansioni a ultrasuoni, i ricercatori hanno utilizzato fotocamere ad alta velocità e marcatori fluorescenti che rivelano i processi elettrofisiologici nel miocardio. Le immagini ottenute hanno confermato che i vortici meccanici corrispondono molto bene ai vortici elettrici.
Secondo i ricercatori di Göttingen, la tecnologia a ultrasuoni è progredita enormemente negli ultimi anni in termini di qualità dell’immagine e velocità di imaging e il potenziale della moderna tecnologia a ultrasuoni deve ancora essere pienamente sfruttato. “Insieme alla potenza di calcolo immensamente aumentata dei computer moderni e ai rapidi progressi nella grafica e nell’elaborazione delle immagini digitali, sono state create nuove possibilità di misurazione e visualizzazione per indagare sul cuore. Oggi possiamo applicare questi sviluppi alla medicina”, afferma Jan Christoph.
Dalla fisica alla medicina
Lo studio è un esempio di collaborazione interdisciplinare di successo tra fisici e medici presso il DZHK. “Questo rivoluzionario sviluppo aprirà nuove opzioni terapeutiche per i pazienti con aritmie cardiache: già nel 2018 utilizzeremo la nuova tecnologia sui nostri pazienti per diagnosticare e trattare meglio le aritmie cardiache e le malattie del miocardio”, afferma Gerd Hasenfuß, co-autore di lo studio, Presidente del Centro di ricerca sul cuore di Göttingen e del Centro medico universitario di Göttingen. Stefan Luther è sicuro di una cosa: “Scrutare profondamente nelle dinamiche interiori del cuore segna una pietra miliare nella ricerca sul cuore e determinerà in modo decisivo la nostra comprensione e cura della malattia cardiaca in futuro”.
Fonte: Nature
