Saliendo del silencio: capturando el primer latido

Furante miles de años, la cuestión de cómo late el corazón por primera vez ha capturado la imaginación y la curiosidad de filósofos y científicos por igual. Esta pregunta motivó a un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard a capturar y caracterizar el primer latido del corazón. Publicaron sus recomendaciones hoy (27 de septiembre) en Naturaleza.¹

Específicamente, los investigadores querían comprender cómo un gran grupo de células trabaja en conjunto para orquestar una actividad compleja en todo el tejido, como el primer latido del corazón. “La forma en que la mayoría de la gente piensa sobre la comunicación celular se basa en la secreción de proteínas y proteínas que se fusionan y permiten que las células se comuniquen entre sí”, dijo Sean Megason, biólogo de sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard y coautor del artículo. Pero los cambios en la expresión genética son relativamente lentos, lo que sugiere que la comunicación eléctrica podría explicar mejor la rápida transición del corazón de la quietud al latido.

Estudios anteriores sobre el desarrollo del corazón proporcionaron instantáneas estáticas a lo largo del tiempo o requirieron registros electrofisiológicos invasivos con resolución espaciotemporal y tamaño de muestra limitados. Para monitorear la organización espaciotemporal del corazón en tiempo real, los investigadores recurrieron al humilde pez cebra. pez cebra fertilizan sus óvulos externamente y desarrollan rápidamente embriones transparentes que proporcionan una ventana única hacia los sistemas en desarrollo.²

Para capturar el evento único en la vida del primer latido del corazón, los investigadores inyectaron un ARNm que codifica un indicador de calcio fluorescente en el embrión de pez cebra inmediatamente después de la fertilización y montaron un microscopio de fluorescencia sobre la región del corazón en desarrollo para monitorear continuamente la actividad del calcio. . Este enfoque no invasivo permitió a los investigadores recopilar actividad viva e in vivo a un ritmo de muchas veces por segundo durante un período de horas. “Cuando hicimos eso, vimos algo sorprendente”, dijo Megason.

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En lugar de que las células individuales se conecten gradualmente, los investigadores descubrieron que las células pasan repentinamente de un latido silencioso a un latido bastante regular. “De repente ves este gran destello”, dijo Bill Jia, estudiante de posgrado de la Universidad de Harvard y coautor del estudio. “Fue realmente increíble”.

La abrupta transición del silencio a la actividad en todo el tejido intrigó al equipo de investigación. “Es casi como si tuvieras que conseguir que un grupo de personas marcharan sincronizadas sin que hubieran caminado antes”, dijo Megason. Para caracterizar la actividad observada, los investigadores buscaron la ayuda de modelos matemáticos.

Los modelos matemáticos proporcionan una forma universal de describir un pequeño número de posibles comportamientos, o transiciones de fase, en un sistema biológico. Dado el cambio radical de la actividad silenciosa del calcio a la oscilatoria, los investigadores clasificaron en términos generales la transición como un evento de bifurcación. Después de comparar sus resultados con modelos simulados, llegaron a un tipo específico de bifurcación que capturaba con precisión la frecuencia, amplitud y patrón de actividad observados: la bifurcación de nodo de silla en círculo invariante (SNIC). “Este enfoque conceptual de pensar en las bifurcaciones en el estado de un sistema de células es quizás una forma útil de pensar en otros grupos de células y otros órganos”, dijo Megason.

El modelo de bifurcación SNIC predijo que la aparición espontánea de la actividad del calcio, que los investigadores consideran el primer latido del corazón, era el resultado de que las células excitables cruzaran un umbral e iniciaran una cascada de actividad en otras células cercanas para propagar la señal. Para probar esta hipótesis, el equipo de investigación desarrolló una línea de pez cebra transgénico que coexpresaba calcio fluorescente y indicadores de voltaje en el corazón temprano. Observaron que un aumento en la actividad eléctrica precedía por poco a un aumento en la actividad del calcio, lo que sugiere que los cambios eléctricos en el potencial de membrana impulsan los primeros latidos del corazón.

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Para respaldar aún más esto, el pez cebra modificado genéticamente carece del canal de calcio Ca dependiente de voltaje._v1.2 no mostró cambios eléctricos en el potencial de membrana ni aumentos en la actividad del calcio, lo que sugiere que Cav1.2 impulsa los primeros latidos y que el voltaje y el calcio están acoplados.

Otra predicción del modelo de bifurcación SNIC fue que las células son cada vez más fáciles de excitar cuanto más cerca están de cruzar el umbral. Para probar esto, los investigadores combinaron registros de calcio con herramientas optogenéticas eso les permitió estimular cambios en el potencial de membrana al iluminar las células con luz azul.³ “Las imágenes en vivo y la perturbación optogenética son realmente poderosas para estudiar el desarrollo, que esencialmente se trata de correlaciones en el espacio y el tiempo”, dijo Jia. Los investigadores sabían que los primeros latidos cardíacos espontáneos ocurrían alrededor de 20 horas después de la fertilización, por lo que aplicaron pulsos periódicos de luz azul antes de este período. Descubrieron que el corazón pasó rápidamente a ser excitable o altamente receptivo a las señales eléctricas entrantes, alrededor de 90 minutos antes del primer latido cardíaco espontáneo.

La amplia huella de la actividad del calcio observada con el primer latido llevó a los investigadores a caracterizar la naturaleza del acoplamiento celular en la región. En los corazones adultos, las células marcapasos codificadas genéticamente marcan el ritmo del corazón. Sin embargo, en el corazón en desarrollo, los investigadores encontraron que la ubicación de las células que orquestaban el primer latido variaba entre los embriones y, si silenciaban optogenéticamente estas células, el área del corazón que iniciaba la actividad cambiaba de ubicación para los latidos posteriores. Estos hallazgos sugieren que las células marcapasos no están genéticamente especificadas en esta etapa.

La clave para estos experimentos realizados en el artículo fueron las plataformas de imágenes personalizadas construidas por el coautor Adán Cohen, biofísico de la Universidad de Harvard. Cuando se utilizaron junto con enfoques de alto rendimiento desarrollados por Megason, permitieron obtener imágenes multiplexadas funcionales de calcio fluorescente e indicadores de voltaje junto con estimulación optogenética. “Esto nos permitió ver las cosas de una manera que nunca antes se había visto”, dijo Megason.

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“Fue un uso muy elegante del modelo del pez cebra para explorar una cuestión muy interesante en biología cardíaca con amplias ramificaciones”, dijo Didier Stainier, genetista del desarrollo del Instituto Max Planck que no participó en el estudio. “Es [Megason] y [Cohen] uniendo sus respectivas fortalezas, y es un verdadero trabajo interdisciplinario”.

El próximo plan de los investigadores es comprender el establecimiento de las células marcapasos. “Cómo [do] ¿Estas células que constituyen el marcapasos se convierten en orquestadoras? dijo Stainier. Aunque al principio es un poco ruidoso, las células del corazón en desarrollo adoptan un enfoque que les permite aprender sobre el trabajo y eventualmente encontrar sus ritmos. “Una cosa buena de observar embriones es que puedes ver cómo se construye este sistema”, dijo Megason. A partir de ahí, los científicos pueden emplear métodos para manipular la función fisiológica para estudiar las diversas capas de regulación que se construyen sobre ese sistema. “Al comprender el mecanismo central en juego, es más fácil entender cómo estas otras capas de regulación controlan eso y luego, tal vez, qué sale mal a medida que los animales envejecen”, dijo Megason.

Referencias

1. Jia BZ, et al. Una transición de fase bioeléctrica modela los primeros latidos del corazón de los vertebrados. Naturaleza. 2023.
2. Staudt D, Stainier D. Descubriendo los mecanismos moleculares y celulares del desarrollo del corazón utilizando el pez cebra. Annu Rev. Genet. 2012;46:397-418.
3. Entcheva E, Kay MW. Optogenética cardíaca: una década de iluminación. Nat Rev Cardiol. 2021;18(5):349-367.