Un forte colpo al torace può avere esiti completamente opposti, per esempio, mentre alcuni giocatori di baseball sono morti dopo essere stati colpiti al petto da una palla da baseball (un infortunio chiamato “commotio cordis“, succede quando qualcosa colpisce il petto al momento giusto nel ciclo cardiaco, interrompendo il ritmo normale del cuore); i pazienti che hanno subito fatali tachiaritmie cardiache sono stati salvati da un colpo al torace opportunamente cronometrato nel ciclo del battito cardiaco.
Gli scienziati sanno che tali colpi creano tensioni rapide sul tessuto cardiaco, ma non capiscono ancora del tutto come i colpi influenzano la funzione cardiaca.
La collaborazione avviata dagli elettrofisiologi cardiaci del Dipartimento di Fisiologia dell’Università di Berna (Gruppo Rohr) con il Soft Transducers Laboratory dell’EPFL ha portato alla realizzazione di un dispositivo sperimentale che consente agli scienziati di sottoporre i tessuti cardiaci bioingegnerizzati a cicli di deformazione molto dinamici e di misurarne la risposta elettrofisiologica.
Il battito cardiaco normale è il risultato di un processo di accoppiamento elettromeccanico, in particolare, gli impulsi elettrici generati dal pacemaker cardiaco, invadono l’intero cuore e “ordinano” al muscolo cardiaco di contrarsi. Il sangue a ogni contrazione è rilasciato dal cuore, garantendo così una circolazione stabile.
Matthias Imboden, ricercatore presso la Scuola politecnica federale di Losanna (EPFL) collaboratore dello studio, ha svolto parte delle sue ricerche nel dipartimento di fisiologia dell’Università di Berna insieme al ricercatore Etienne de Coulon, ha detto:
«L’accoppiamento degli impulsi elettrici alla contrazione muscolare è essenziale, perché è ciò che fa battere i nostri cuori a ritmo regolare».
Stephan Rohr che ha iniziato lo studio ed è professore di fisiologia presso l’Università di Berna, ha aggiunto:
«Gli effetti potenzialmente fatali dei colpi al petto sono ritenuti essere il risultato di rapidi sforzi che interferiscono negativamente con la trasmissione degli impulsi elettrici causando così l’interruzione del battito cardiaco. Si pensa che le stesse interazioni con un colpo al petto opportunamente cronometrato siano alla base del salvataggio dei pazienti in arresto cardiaco.
L’indagine sistematica di questi effetti apparentemente paradossali delle interazioni meccanico-elettriche è stata ostacolata in passato dalla mancanza di dispositivi sperimentali che producono tensioni molto rapide.
Avevamo metodi per riprodurre lo stress cellulare, ma era troppo lento perché replichi veramente ciò che accade durante un colpo al petto».
Replicare sul banco di prova gli effetti del colpo
Il dispositivo sperimentale dei ricercatori può sottoporre il tessuto cardiaco a modelli di deformazione che imitano da vicino gli impatti realistici del torace. E’ costituita da una membrana in silicone molto elastica e sottile integrata con elettrodi in oro e carbonio.
Herbert Shea, responsabile del Soft Transducers Laboratory e collaboratore dello studio, ha detto:
«Gli elettrodi di carbonio creano lo sforzo nel tessuto cardiaco, quelli in oro misurano la risposta elettrofisiologica cellulare. I ricercatori hanno testato il loro sistema con filamenti bioingegnerizzati di cellule cardiache dei ratti, sono stati inseriti sopra gli elettrodi e sottoposti a diversi modelli di deformazione».
Deformazioni più veloci
Il dispositivo può generare sollecitazioni cellulari dell’ordine del 10-12%, che è coerente con quanto, avviene durante un normale battito cardiaco. Tuttavia, genera questo sforzo fino a 100 volte più velocemente di quello che il cuore incontra durante il normale funzionamento, proprio come accade durante un colpo al torace.
Il dispositivo dei ricercatori è senza motore ed è l’unico a replicare da vicino la dinamica dei colpi al torace, consentendo contemporaneamente la misurazione degli effetti della deformazione sull’elettro-fisiologia del tessuto cardiaco.
Risultati che portano in nuove direzioni
I ricercatori contrariamente a quanto concluso in precedenza da altri studi, hanno scoperto che anche sforzi, molto rapidi non avevano alcun effetto sulla propagazione degli impulsi elettrici. Stephan Rohr in conclusione ha detto:
«Ciò significa che dobbiamo esaminare altre possibili spiegazioni di ciò che accade esattamente durante un colpo mortale al torace. L’elemento sensibile alla tensione nel cuore potrebbe in realtà non essere la cellula cardiaca in contrazione ma cellule adiacenti del tessuto connettivo.
Il dispositivo che abbiamo sviluppato è ideale per indagare questa ipotesi e si presta anche a studi sistematici dell’effetto di specifici farmaci o terapie geniche che hanno effetti benefici sull’accoppiamento meccanico-elettrico nel cuore».
