El tiempo es fundamental cuando se trata a un paciente que sufre un ataque cardíaco. Los cirujanos cardíacos intentan estabilizar rápidamente el corazón aplicando reperfusión, una técnica que restaura el oxígeno al corazón mediante la apertura de vasos bloqueados con globos y stents. Si bien la reperfusión puede restaurar la función cardíaca, Estas infusiones repentinas de oxígeno también pueden dañar aún más regiones del corazón gravemente agotadas.

"Es una espada de doble filo, "dice Anthony McDougal, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "El rápido retorno de oxígeno es necesario para que el corazón sobreviva, pero también podría abrumar el corazón ".

Ahora McDougal ha desarrollado un modelo que predice la respuesta de una sola célula cardíaca a la disminución de los suministros de oxígeno. Específicamente, evalúa la capacidad de una célula para seguir produciendo ATP, la principal fuente de combustible de una célula, y mantenerse viva, incluso cuando está cada vez más privado de oxígeno.

El modelo es un primer paso para predecir si las técnicas de reperfusión ayudarán o dañarán aún más un corazón agotado. También puede ayudar a determinar la cantidad óptima de oxígeno a aplicar. dado el grado de deterioro del corazón.

"Parte de la razón por la que estamos interesados ​​en la reperfusión es que no estamos seguros de cuál es el período de tiempo durante el cual podemos reintroducir el oxígeno, "Dice McDougal." Si el tejido ha estado privado de oxígeno por más tiempo, corre más riesgo de que el oxígeno dañe el tejido. Eso se convierte en un problema mayor a medida que intenta abordar estos problemas, especialmente en las zonas rurales que podrían tener menos acceso a los hospitales ".

Los resultados se publican este mes en el Revista de química biológica . El coautor y asesor de McDougal es C. Forbes Dewey, profesor emérito de ingeniería mecánica e ingeniería biológica.

Cambios de corazón

McDougal y Dewey buscaron rastrear el metabolismo, condiciones de producción de energía dentro de una célula cardíaca a medida que se va privando progresivamente de oxígeno. Si bien algunos científicos han explorado esto a través de varios modelos celulares, la mayoría de esos modelos se han limitado a escalas de tiempo breves, alrededor de uno a dos minutos después de que las células sanas hayan sido privadas de oxígeno.

En cambio, McDougal quería ver cómo cambia una célula cardíaca en un período de tiempo mucho más largo, comprender cómo puede evolucionar el corazón de un paciente desde el momento en que se ve privado de oxígeno hasta el punto en que el paciente puede recibir reperfusión.

"Decidimos ver cuál es el estado de la célula hasta el momento de la reperfusión. ¿Cómo está? y ¿cuáles son las principales piezas a considerar cuando comienzas a reperfundirlo? ”, dice McDougal.

El equipo se centró en modelar el efecto de la disminución del suministro de oxígeno sobre las reacciones químicas responsables de la producción de ATP en una célula cardíaca.

McDougal identificó 32 especies moleculares generales involucradas en reacciones en cadena separadas para producir ATP. Luego buscó en la literatura científica para encontrar ecuaciones enzimáticas que describan cómo funciona cada reacción individual, incluida su dependencia del oxígeno. Luego compiló las ecuaciones para las 32 reacciones en un modelo.

"Hubo muchos casos en los que tuvo que estimar las tasas de reacción, porque dos artículos diferentes tendrían resultados diferentes, basado en diferentes experimentos con animales o diferentes condiciones, y tuvo que trabajar hacia atrás para tratar de normalizar los resultados y ver qué relaciones biológicas podía obtener de ellos que fueran significativas. "Dice Dewey.

Una vez que compiló todas las ecuaciones en el modelo, McDougal realizó más de 200 simulaciones, para ver cómo cambiaba la producción total de ATP de una célula a medida que cada reacción productora de ATP se adaptaba a varios niveles de oxígeno durante varios períodos de tiempo.

Firme, firme, luego un choque

Asombrosamente, Las simulaciones del modelo muestran que las células del corazón pueden seguir generando ATP, incluso con niveles de oxígeno tan bajos como el 10 por ciento de la concentración óptima en células sanas.

Con suministros saludables de oxígeno, El ATP se produce a través de la glucólisis. un proceso aeróbico que requiere oxígeno para iniciar una cascada de reacciones químicas que involucran varias especies moleculares, todo terminando en la producción saludable de ATP. Para liberar energía útil, la célula usa una enzima para romper una molécula de fosfato de la estructura de ATP de tres fosfatos, dejando ADP (difosfato de adenosina) y usando el fosfato único para alimentar diversas actividades celulares.

A medida que los suministros de oxígeno caen en picado a alrededor del 10 por ciento, estas reacciones dependientes de oxígeno producen cada vez menos ATP. Ahí es cuando los procesos de "respaldo" anaeróbicos se activan. Por ejemplo, la especie molecular creatina fosfato se combina con una enzima para escindir su grupo fosfato, uniéndolo a ADP para formar más ATP. Cuando las reservas de fosfato de creatina se agotan, el glucógeno de una célula interviene para cumplir su función, manteniendo los niveles de ATP.

"El glucógeno es solo una gran bola de glucosa, y en cierto momento, con aún más presión sobre el ATP, la célula puede extraer moléculas de glucosa individuales de esa bola de pelo y convertirla en energía, "Dice McDougal.

En breve, el equipo descubrió que, aunque el oxígeno puede estar muy limitado, Las células cardíacas parecen profundizar en sus arsenales de energía para mantener los niveles de ATP y mantenerse con vida.

Sin embargo, finalmente, a medida que el oxígeno se acerca a cero, incluso las reservas de respaldo cerradas, provocando que los niveles de ATP colapsen, un punto sin retorno para una célula fatigada. Curiosamente, McDougal observó una etapa intermedia, en el que los niveles de ATP de una célula cardíaca descienden pero aún no se han estrellado.

"Estos son tus estuches con filo de cuchillo, donde cualquier pequeña perturbación en la célula podría hacer que se mueva en espiral y muera, o vuelve y mantente vivo, "Dice McDougal.

Por lo tanto, es esencial conocer la cantidad justa de oxígeno para introducir en las partes isquémicas del corazón que se encuentran en estados tan precarios. Por ejemplo, en algunos casos, en lugar de introducir una ráfaga de oxígeno directamente en una región agotada, Dewey dice que los científicos podrían considerar introducir pequeñas cantidades de oxígeno en el recipiente recién abierto para que pueda difundirse lentamente en las áreas lesionadas. sin conmoción ni daño. "Algunos experimentos con animales sugieren que esto podría ser beneficioso, "Dice Dewey." Ahora tenemos un modelo que puede comenzar a evaluar muchos métodos nuevos de tratamiento, buscando los que tienen una promesa excepcional ".

"Con suerte, con el tiempo, podemos crear un mapa mejor de exactamente cuánto oxígeno dar, en que momento, "Agrega McDougal.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.