Studiare le cellule cardiache grazie alle rocce


Introduzione

I ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (INO-CNR) insieme ai colleghi del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-lineari (LENS), dell’Università degli Studi di Firenze e dell’Università di Friburgo in Brisgovia (Germania) hanno misurato per la prima volta alcune proprietà elettriche delle cellule cardiache chiamate cardiomiociti sfruttando un’analogia tra la conducibilità elettrica e il trasporto di materia. I cardiomiociti sono cellule eccitabili alla base della contrazione cardiaca.

Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista the Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (Pnas).

Il nuovo studio trae ispirazione dalla geologia

La ricerca è stata ispirata dal lavoro “Analogy between diffusion and electrical conductivity in porous rocks” condotto da L. J. Klinkenberg e pubblicato su Geological Society of America Bulletin nel 1951. In tale studio è stata ricavata la velocità di diffusione dell’acqua all’interno di rocce porose attraverso la misura della conducibilità elettrica delle rocce stesse.

 

«Le cellule cardiache sono caratterizzate da una complessa rete intracellulare, denominata rete tubulare, responsabile della propagazione elettrica all’interno della cellula» scrive Leonardo Sacconi coordinatore del Cardiac Imaging Group dell’INO-CNR (www.ino.it/home/sacconi).

Da un punto di vista tecnico l’analisi sperimentale delle proprietà elettriche delle membrane a livello sub cellulare è estremamente difficile e richiede nuovi approcci. I ricercatori hanno quindi applicato il concetto inverso a quello della ricerca di Klinkenberg, sono andati cioè ad indagare le proprietà di diffusione delle sonde fluorescenti all'interno della rete tubolare per estrarne informazioni di carattere elettrico. Immaginando di paragonare la fitta rete di tubuli presenti nelle cellule cardiache alla struttura porosa di una roccia, i ricercatori sono riusciti ad ottenere informazioni sulla propagazione elettrica a partire dalle loro caratteristiche diffusive, analizzate attraverso un metodo avanzato denominato FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching).

Immagine 1 - La figura illustra la complessa rete di membrane presenti all’interno di una cellula cardiaca. Credit: CNRImmagine 1 - La figura illustra la complessa rete di membrane presenti all’interno di una cellula cardiaca. Credit: CNR

 

Cos’è la tecnica FRAP

La FRAP è una tecnica di microscopia che permette di studiare la cinetica di diffusione di molecole attraverso tessuti e comparti intracellulari mediante l’utilizzo di un microscopio in fluorescenza a scansione laser confocale.

Il principio di funzionamento si basa sulla spegnimento (photobleaching) di molecole fluorescenti presenti all’interno del campione e il successivo recupero di fluorescenza dovuto alla diffusione di nuove molecole all’interno del volume irradiato.

Questa tecnica è generalmente utilizzata per quantificare la diffusione laterale di molecole all’interno della membrana plasmatica. In realtà le potenzialità della tecnica sono potenzialmente più vaste.

  

Cosa è stato fatto in laboratorio

«Mediante un fascio laser ad alta intensità, abbiamo prima disattivato (ovvero reso non luminescenti) alcune molecole fluorescenti presenti all’interno della rete tubulare e poi abbiamo osservato il tempo che le molecole attive all’esterno della cellula hanno impiegato per diffondersi al suo interno», scrive Marina Scardigli, primo autore dello studio e dottoranda associata INO-CNR.

«Sviluppando un modello matematico ad hoc, la diffusione delle molecole fluorescenti all’interno della cellula è stata utilizzata per determinare la conduttività elettrica della rete tubulare e quindi per valutare l’efficienza della rete nel propagare i segnali elettrici che determinano la contrazione cardiaca».

Il lavoro è stato eseguito su cellule isolate da cuori di ratto spontaneamente ipertesi al fine di mimare la condizione patologica dell’infarto conclamato.
Su questi animali è stato riscontrato che in alcune zone della rete tubulare la propagazione elettrica è compromessa spiegando la presenza di difetti elettrici e contrattili già evidenziati in precedenti lavori del gruppo di ricerca (vedi riferimenti bibliografici).

Perché è particolarmente significativo il lavoro compiuto dai ricercatori?

Benché la conduzione dei segnali elettrici a livello dell’intero organo siano ben descritti sia teoricamente sia sperimentalmente, i meccanismi alla base della propagazione elettrica all’interno della singola cellula non sono ancora ben definiti. Infatti, lo studio della propagazione elettrica all’interno della singola cellula non può essere effettuato mediante l’utilizzo di tecniche convenzionali e, pertanto, è necessario lo sviluppo di nuove metodologie di indagine.

In questo lavoro è stato sviluppato una nuova metodologia di indagine che ha permesso la prima misura diretta di una grandezza elettrica molto influente nella conduzione cardiaca, cioè la costante di spazio. Questo studio oltre ad avere importanti ricadute nella comprensione della fisiologia di base del cuore ha permesso di evidenziare anomalie elettriche in importanti patologie.

 

Possibili scenari e conclusioni

«Con questa innovativa metodologia è stato possibile evidenziare anomalie della conduzione dei segnali elettrici in presenza di importanti patologie come l’infarto conclamato; anomalie nella propagazione possono indurre disfunzioni meccaniche nel cuore con conseguente propensione allo sviluppo di aritmie», scrive Sacconi.

«Una migliore comprensione di questi meccanismi potrebbe portare allo sviluppo di nuove terapie mirate a questo genere di patologie» conclude il ricercatore.

Riferimenti bibliografici

Quantitative assessment of passive electrical properties of the cardiac T-tubular system by FRAP microscopy

doi: 10.1073/pnas.1702188114

 

L. Sacconi, C. Ferrantini, J. Lotti, R. Coppini, P. Yan, L. M. Loew, C. Tesi, E. Cerbai, C. Poggesi, F. S. Pavone, Action potential propagation in transverse-axial tubular system is impaired in heart failure, Proc Natl Acad Sci U S A vol. 109 pp. 5815–5819 (2012).

 

C. Crocini, R. Coppini, C. Ferrantini, P. Yan, L. M. Loew, C. Tesi, E. Cerbai, C. Poggesi, F. S. Pavone, L. Sacconi, Defects in T-tubular electrical activity underlie local alterations of calcium release in heart failure. Proc Natl Acad Sci U S A vol. 42 pp. 15196-15201 (2014).

 

C. Crocini, C. Ferrantini, R. Coppini, L. Sacconi, Electrical defects of the transverse-axial tubular system in cardiac diseases. J Physiol. Epub ahead of print (2016).

 

C. Crocini, C. Ferrantini, M. Scardigli, R. Coppini, L. Mazzoni, E. Lazzeri, J.M. Pioner, B. Scellini, A. Guo, L.S. Song, P. Yan, L.M. Loew, J. Tardiff, C. Tesi, F. Vanzi, E. Cerbai, F. S. Pavone, L. Sacconi, C. Poggesi, Novel insights on the relationship between T-tubular defects and contractile dysfunction in a mouse model of hypertrophic cardiomyopathy, JMCC Vol. 91, pp. 42 (2016).



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