Immagine: A: defibrillazione optogenetica (barra blu) ferma l’aritmia nel cuore del di topo. B: simulazione di defibrillazione optogenetica (barra rossa) in un modello di un cuore umano. © immagine: Tobias Brügmann (Università di Bonn) / Patrick M. Boyle (Johns Hopkins University)
Un gruppo di ricerca dell’Università di Bonn è riuscito per la prima volta, a fermare la fibrillazione ventricolare nei topi, usando stimoli luminosi. Inoltre, come dimostrato dai ricercatori della Johns Hopkins University attraverso sperimentazione computazionale, questa tecnica può essere usata con successo anche nei cuori umani. Lo studio offre un nuovo approccio anche allo sviluppo di defibrillatori impiantabili ottici, in cui i forti impulsi elettrici dei defibrillatori convenzionali sono sostituiti da più delicati impulsi di luce che non causano dolore.
Il Journal of Clinical Investigation ha appena pubblicato i risultati dello studio.
“La fibrillazione ventricolare è uno scompenso cardiaco molto grave che può avere esiti letali senza un pronto intervento. Si tratta di un’aritmia accentuata associata in genere ad eventi cardiaci seri come infarti, ischemie o conseguenza di cardiopatie congenite.
Quando si verifica una fibrillazione ventricolare, all’interno dei ventricoli (le cavità inferiori del cuore) si produce una raffica di input elettrici scomposti, rapidi e disorganizzati che di fatto mandano in tilt l’attività cardiaca.
A causa dell’impulso ventricolare del tutto caotico, le contrazioni miocardiche non riescono ad espellere il sangue del circolo arterioso con conseguenze drammatiche che possono portare, in tempi rapidissimi, ad un arresto cardiocircolatorio e alla morte“.
In una tale emergenza, il defibrillatore aiuta a ripristinare la normale attività cardiaca mediante scariche elettriche intense. In pazienti con un rischio noto di questi aritmia, l’impianto di un defibrillatore è il trattamento scelto. Se viene rilevata la fibrillazione ventricolare, il defibrillatore genera automaticamente un impulso di energia elettrica che normalizza l’eccitazione del muscolo cardiaco e salva la vita della persona.
( Vedi anche: Le palpitazioni possono essere predittive di future fibrillazioni atriali).
“L’attivazione del defibrillatore, cosa che purtroppo può anche accadere a causa della falsa rilevazione di aritmia, è sempre un evento molto traumatico per il paziente”, dice il Prof. Philipp Sasse dell’Istituto di Fisiologia I presso l’Università di Bonn. “La scossa elettrica è molto dolorosa e può anche danneggiare ulteriormente il cuore”. Pertanto, il team del Prof. Sasse ha cercato un’alternativa indolore e più delicata al defibrillatore convenzionale.
Come gli scienziati hanno dimostrato, la fibrillazione ventricolare può essere fermata dalla defibrillazione ottica.
Il team ha utilizzato il nuovo metodo di stimolazione “optogenetica” nei cuori di topo, in cui erano stati inseriti i cosiddetti channelrhodopsins che sono una sottofamiglia di proteine retinylidene ( Rhodopsins ) che funzionano come canali ionici luce-dipendenti. Essi servono come fotorecettori sensoriali negli esseri unicellulari come le alghe verdi, per il controllando della fototassi. Il movimento in risposta alla luce espresso nelle cellule di altri organismi, consente alla luce di controllare l’ eccitabilità elettrica , l’acidità intracellulare, l’afflusso di calcio e altri processi cellulari. Questi canali, derivati da un’ alga verde, modificano la permeabilità agli ioni delle membrane cellulari del cuore quando è illuminato.
Quando i ricercatori hanno causato la fibrillazione ventricolare nel cuore dei topi, una luce pulsata applicata al cuore è stata sufficiente per ripristinare il normale ritmo. “Questo è un risultato molto importante”, sottolinea l’autore dello studio il Dr. med. Tobias Brügmann del team del Prof. Sasse. “Ciò dimostra per la prima volta sperimentalmente nel cuore che la stimolazione optogenetica può essere utilizzata per la defibrillazione nell’ aritmia cardiaca”.
Il ricercatore ha inoltre lavorato con topi normali che hanno ricevuto il channelrhodopsin attraverso applicazioni biotecnologiche che rendono possibile l’utilizzo di un virus, un’applicazione già sperimentata per la terapia genica in pazienti umani.
Le simulazioni mostrano che i risultati dello studio potrebbero essere applicati anche ai pazienti.
Al fine di verificare questa ipotesi, gli scienziati dell’Università di Bonn stanno lavorando in collaborazione con il Prof. Natalia Trayanova del Computational Cardiology Lab presso l’Istituto di Medicina e Dipartimento di Ingegneria Biomedica della Johns Hopkins University (Baltimora, USA).
La defibrillazione optogenetica è in fase di sperimentazione in un modello al computer di cuore di un paziente che ha sperimentato un infarto cardiaco. “Le nostre simulazioni mostrano che un impulso di luce al cuore farà cessare anche l’aritmia cardiaca del paziente”, dice il Prof. Patrick Boyle, che è anche autore principale della ricerca. Per fare ciò, tuttavia, il metodo dall’Università di Bonn doveva essere ottimizzato per il cuore umano usando luce rossa per stimolare le cellule cardiache, anziché la luce blu usata nei topi. Questo aspetto dello studio dimostra il ruolo importante che può essere svolto dalla modellazione computazionale per guidare e accelerare lo sviluppo sistematico delle applicazioni terapeutiche optogenetiche, una tecnologia che è ancora nella sua infanzia.
La realizzazione di defibrillatori optogenetici è possibile
“I nostri dati mostrano la fattibilità della defibrillazione optogenetica per il trattamento della fibrillazione ventricolare”, riassume il Prof. Sasse. Utilizzando la luce per riportare il cuore dalla fibrillazione a un ritmo normale, può essere indolore e molto più delicato rispetto all”uso delle scosse elettriche. Tuttavia, il nuovo metodo è ancora in fase di ricerca di base. Perchè i defibrillatori ottici impiantabili possano essere sviluppati per il trattamento dei pazienti, ci vorranno ancora almeno da cinque a dieci anni, stima il Prof. Sasse.
Fonte: Università di Bonn
