Forskere finder en ny kilde til farlig elektrisk ustabilitet i hjertet

Pludselig hjertedød som følge af fibrillering - uregelmæssig hjerterytme på grund af elektrisk ustabilitet - er en af ​​de største dødsårsager i USA. Nu, forskere har opdaget en grundlæggende ny kilde til den elektriske ustabilitet, en udvikling, der potentielt kan føre til nye metoder til at forudsige og forhindre livstruende hjerteflimmer.

Et stabilt hjerteslag opretholdes af elektriske signaler, der stammer dybt inde i hjertet og bevæger sig gennem muskelorganet i regelmæssige bølger, der stimulerer den koordinerede sammentrækning af muskelfibre. Men når disse bølger afbrydes af blokeringer i elektrisk ledning - såsom arvæv fra et hjerteanfald - kan signalerne forstyrres, skabe kaotiske spiralformede elektriske bølger, der forstyrrer hinanden. Den resulterende elektriske turbulens får hjertet til at slå ineffektivt, hurtigt fører til døden.

Forskere har vidst, at ustabilitet på mobilniveau, især variation i varigheden af ​​hvert elektrisk signal - kendt som et aktionspotentiale - er af primær betydning for at skabe kaotisk fibrillation. Ved at analysere elektriske signaler i en dyremodells hjerter, forskere fra Georgia Institute of Technology og U.S. Food and Drug Administration har fundet en yderligere faktor - den varierende omfang af handlingspotentialet - der også kan forårsage farlig elektrisk turbulens i hjertet.

Forskningen, støttet af National Science Foundation, blev rapporteret 20. april i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

"Matematisk, vi kan nu forstå nogle af disse livstruende ustabilitet og hvordan de udvikler sig i hjertet, "sagde Flavio Fenton, en professor i Georgia Tech's School of Physics. "Vi har foreslået en ny mekanisme, der forklarer, hvornår fibrillering vil forekomme, og vi har en teori, der kan forudsige, afhængigt af fysiologiske parametre, hvornår dette vil ske. "

Spændingssignalet, der styrer det elektrisk drevne hjerteslag, kortlægges af læger fra kropsoverfladen ved hjælp af elektrokardiogramteknologi, som er kendetegnet ved fem hovedsegmenter (P-QRS-T), hver repræsenterer forskellige aktiveringer i hjertet. T -bølger forekommer i slutningen af ​​hvert hjerteslag, og angive den bageste del af hver bølge. Forskere har vidst, at abnormiteter i T-bølgen kan signalere en øget risiko for en potentielt livstruende hjerterytme.

Fenton og hans samarbejdspartnere undersøgte den potentielle amplitude af cellulær handling, som styres af natriumionkanaler, der er en del af hjertets naturlige reguleringssystem. Natriumioner, der strømmer ind i cellerne, øger koncentrationen af ​​kationer - som bærer en positiv ladning - hvilket fører til et fænomen kendt som depolarisering, hvor cellens handlingspotentiale stiger over sit hvileniveau. Natriumkanalerne lukker derefter på toppen af ​​aktionspotentialet.

Selvom variationer i handlingspotentialets varighed indikerer problemer med hjertets elektriske system, forskerne har nu forbundet dynamiske variationer i handlingspotentialets amplitude med ledningsblok og begyndelsen af ​​fibrillation.

"Vi har for første gang vist, at en fundamentalt anderledes ustabilitet relateret til amplitude kan ligge til grund for eller yderligere påvirke risikoen for hjerteinstabilitet, der kan føre til fibrillering, "sagde Richard Gray, en af ​​undersøgelsens medforfattere og en biomedicinsk ingeniør i Office of Science and Engineering Laboratories i U.S. Food and Drug Administration.

Den matematiske analyse giver en enkel forklaring.

"Du kan have en bølge med en lang amplitude efterfulgt af en bølge med en kort amplitude, og hvis den korte bliver for kort, den næste bølge vil ikke være i stand til at formere sig, "sagde Diana Chen, en Georgia Tech kandidatstuderende og første forfatter af undersøgelsen. "Bølgerne, der går gennem hjertet, skal bevæge sig sammen for at opretholde et effektivt hjerteslag. Hvis en af ​​dem går i stykker, den første bølge kan kollidere med den næste bølge, igangsætte spiralbølgerne. "

Hvis der findes lignende resultater i menneskelige hjerter, denne nye forståelse af, hvordan elektriske turbulensformer kan give læger bedre mulighed for at forudsige, hvem der ville have risiko for fibrillering. Oplysningerne kan også føre til udvikling af nye lægemidler til forebyggelse eller behandling af tilstanden.

"Et næste videnskabeligt trin ville være at undersøge lægemidler, der ville reducere eller eliminere den cellulære amplitude ustabilitet, "sagde Gray." På nuværende tidspunkt, de fleste farmaceutiske tilgange er fokuseret på varigheden af ​​den potentielle handling. "

Den elektriske bølges kritiske rolle i styringen af ​​hjertets aktivitet gør, at fysik - og matematik - kan bruges til at forstå, hvad der sker i dette mest kritiske organ, Sagde Fenton.

"Vi har udledt en matematisk forklaring på, hvordan dette sker, hvorfor det er farligt, og hvordan det starter en arytmi, "forklarede han." Vi har nu en mekanisme, der giver en bedre forståelse af, hvordan disse elektriske forstyrrelser stammer. Det er først, når du har disse ændringer i bølgeamplitude, at signalerne ikke kan forplante sig ordentligt. "