La transformación de unas pocas células en un organismo completamente desarrollado, con tejidos y órganos funcionales, es un proceso caótico pero altamente sincronizado que requiere que las células se organicen de manera precisa y comiencen a trabajar juntas. Este proceso es particularmente dramático en el corazón, donde las células en reposo deben comenzar a latir al unísono.Ahora, una colaboración entre campus dirigida por investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard y la Universidad de Harvard ha permitido observar exactamente cómo empiezan a latir las células del corazón.
En un estudio con pez cebra, el equipo descubrió que a medida que aumentan los niveles de calcio y las señales eléctricas, las células del corazón de repente comienzan a latir simultáneamente. Además, los investigadores descubrieron que cada célula del corazón tiene la capacidad de latir por sí sola, sin necesidad de marcapasos, y que los latidos del corazón pueden iniciarse en diferentes lugares. Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Nature.
"La gente ha prestado tanta atención a los latidos del corazón que ha sido un foco de investigación durante mucho tiempo, pero esta es la primera vez que hemos podido estudiarlo en profundidad con una resolución tan alta", dijo el coautor Sean Megason, profesor de biología de sistemas en el Instituto Blavatnik de la Facultad de Medicina de Harvard.
Para los biólogos curiosos, comprender los mecanismos básicos de los latidos del corazón puede ser interesante en sí mismo, pero también es fundamental para comprender qué sucede cuando el sistema cardíaco que regula los latidos del corazón no se desarrolla adecuadamente o comienza a funcionar mal.
El coautor principal Adam Cohen, profesor de química, biología química y física en la Universidad de Harvard, dijo: "En la vida de una persona, el corazón late aproximadamente 3 mil millones de veces y nunca descansa. Queríamos ver cómo se encendía esta increíble máquina por primera vez".
Los investigadores no intentaban estudiar cómo empieza a latir el corazón. En cambio, buscaban una pregunta científica que combinara la experiencia del laboratorio Cohen en la obtención de imágenes de la actividad eléctrica con el interés del laboratorio Megason en estudiar cómo las células en desarrollo del pez cebra aprenden a comunicarse y cooperar.
Su investigación va directo al corazón. Los investigadores se dieron cuenta de que a pesar de miles de años de estudiar el corazón en desarrollo, comenzando con las observaciones de los polluelos de Aristóteles, los detalles de cómo las células del corazón comienzan a latir seguían siendo un misterio que potencialmente podrían resolver.
"Queríamos responder a una pregunta fundamental: ¿Cómo pasan las células del corazón del reposo al latido?" Megasón explica. "El corazón que comienza a latir es un evento que ocurre una vez en la vida, pero no es obvio cómo sucede".
Este fue un estudio exploratorio, por lo que no sabían qué encontrarían. Especularon que tal vez algunas células comenzaron a latir y el área de latido se expandió lentamente; tal vez diferentes partes del corazón comenzaron a latir de forma independiente y eventualmente se fusionaron; tal vez el corazón empezó a latir débilmente y gradualmente se hizo más fuerte con el tiempo.
Resulta que la respuesta es ninguna de las dos.
Los investigadores utilizaron proteínas fluorescentes e imágenes de microscopía de alta velocidad para capturar cambios en el contenido de calcio y la actividad eléctrica en las células cardíacas de embriones de pez cebra en desarrollo. Se sorprendieron al descubrir que todas las células del corazón pasaron repentinamente de no latir a latir (caracterizado por picos simultáneos en iones de calcio y señales eléctricas) e inmediatamente comenzaron a latir en sincronía, como si alguien hubiera accionado un interruptor.
Otros experimentos demostraron que con cada latido, un área del corazón se activa primero, lo que desencadena una corriente eléctrica que fluye rápidamente a través de otras células, haciendo que sigan su ejemplo.
Curiosamente, los latidos del corazón de diferentes peces cebra comienzan en puntos diferentes, lo que sugiere que las células que se activan primero no son únicas. Este hallazgo es contradictorio porque las células del corazón adulto se comportan de manera diferente.
"En el corazón adulto, hay una población dedicada de células marcapasos que impulsan los latidos del corazón, mientras que la mayoría de las células en el corazón embrionario tienen la capacidad de latir por sí solas, lo que hace difícil predecir dónde será el primer latido", dijo el primer autor Bill Jia, estudiante de posgrado conjunto en los laboratorios Cohen y Megson.
Debido a que las células del corazón comienzan a latir en un instante, deben desarrollar la capacidad de latir y sentir el latido de las células vecinas antes de su primer latido; Megason compara esto con un ejército que tiene que comenzar a marchar en sincronía sin práctica.
Jia añadió: "El corazón primero tiene que aprender a mantener el ritmo sin un reloj, y las células individuales primero tienen que aprender a cooperar sin acordar sus funciones. Un latido regular es muy importante, pero al comienzo de la vida, los latidos del corazón rápidamente pasan de ser un desorden aparentemente organizado".
El pez cebra en desarrollo proporciona un modelo conveniente para estudiar el corazón porque es transparente, crece rápidamente (solo toma 24 horas para producir un latido) y puede ser fotografiado por más de una docena de cámaras. Sin embargo, Megason cree que los mismos procesos de desarrollo pueden ser consistentes en todas las especies, incluidos los humanos.
El equipo de investigación señaló que este descubrimiento abre la puerta a una mayor comprensión del desarrollo de los latidos del corazón en diferentes especies y algún día podría revelar cómo se producen los latidos cardíacos irregulares, como las arritmias, en los humanos. Al observar el desarrollo del corazón, podemos ver cómo se superponen los diferentes mecanismos de control, lo que puede decirnos qué sucede si estos mecanismos fallan.