Immagine al microscopio di una cellula del muscolo cardiaco con un minuscolo laser incorporato che emette luce verde brillante. I nastri bianchi che si inarcano attraverso la cellula fanno parte del meccanismo che consente alle cellule del cuore di contrarsi. L'analisi del colore della luce emessa dai laser incorporati ha permesso di osservare il funzionamento di questo macchinario in un modo senza precedenti, con importanti implicazioni future per la comprensione delle malattie cardiache. Credito:Università di St Andrews
Sembra fantascienza, ma i laser che battono al ritmo di un cuore vivo è esattamente ciò che i ricercatori dell'Università di St Andrews hanno sviluppato per migliorare la comprensione dell'insufficienza cardiaca e per aiutare a sviluppare trattamenti più efficaci.
Alla guida di un team interdisciplinare di scienziati, Dr. Marcel Schubert e Professor Malte Gather della School of Physics and Astronomy e Dr. Samantha Pitt della School of Medicine dell'Università di St Andrews, minuscoli laser incorporati nelle singole cellule cardiache, e analizzando la luce prodotta da questi laser hanno monitorato le contrazioni del muscolo cardiaco.
La ricerca, pubblicato in Fotonica della natura oggi, arriva nell'anno in cui il laser segna 60 anni dalla sua invenzione.
Per controllare la funzione del cuore, i medici prendono il polso di un paziente, misurare la pressione sanguigna, oppure eseguire un elettrocardiogramma (ECG) che fornisca informazioni sulla funzione e sul ritmo del cuore nel suo complesso, ma fornisce poche informazioni su ciò che accade nelle diverse parti del cuore.
Gli ecocardiogrammi e altri metodi sofisticati possono fornire maggiori informazioni locali, ma ulteriori progressi, in particolare per i trattamenti che esplorano le cellule staminali o i tessuti trapiantati, richiederà di seguire le contrazioni delle singole cellule che formano il muscolo cardiaco.
Raggiungere questo, almeno nei modelli animali abitualmente utilizzati per studiare le condizioni cardiache critiche comunemente osservate nei pazienti umani, promette una migliore comprensione e quindi un trattamento più efficace.
Cellule cardiache battenti fluorescenti con microlaser. Credito:Università di St Andrews
I laser sono ampiamente utilizzati nell'imaging biomedico, risolvendo dettagli sempre più fini della vita, compresi i dettagli di mappatura nelle cellule del cuore. Ma poiché i laser sono generalmente grandi e assetati di potere, siedono fuori dal cuore e possono solo inviare la loro luce alla superficie del tessuto biologico, che limita gravemente quanto in profondità possono guardare.
In questo ultimo lavoro, minuscoli laser sono stati collocati all'interno del cuore dove hanno agito come sonde microscopiche. Con ogni battito del cuore, il colore della luce che questi laser emettono è cambiato di una piccola ma chiaramente rilevabile quantità, codificando così con precisione le contrazioni delle cellule cardiache nel tempo.
Dott. Marcel Schubert, un ricercatore della Royal Society presso la School of Physics and Astronomy dell'Università di St Andrews, ha dichiarato:"Il cambiamento di colore è stato una grande sorpresa e si ritiene che sia causato da un cambiamento precedentemente non riconosciuto nel macchinario cellulare delle cellule del muscolo cardiaco".
Professor Malte si riunisce, della Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di St Andrews, ha dichiarato:"I dati forniti dai nostri laser sembrano simili all'ECG registrato dal medico. Ma nel nostro caso, contiene informazioni meccaniche sul funzionamento interno di una singola cella, e proviene da una profondità del tessuto più profonda di quanto altri microscopi ottici possano vedere oggi".
Sebbene la ricerca sia ancora agli inizi, il presente studio dimostra che i laser possono risolvere processi dinamici veloci all'interno di singole cellule vive e di interi cuori. Sarà necessario più lavoro prima che il nuovo metodo possa essere applicato di routine nei laboratori di ricerca di tutto il mondo, ma il team è ottimista sul fatto che i laser nelle cellule siano un pilastro.
I microlaser possono essere facilmente prodotti a milioni e rispetto a molti microscopi moderni, l'infrastruttura aggiuntiva necessaria per analizzare l'emissione laser è relativamente economica e, per consentire ad altri laboratori di utilizzare e modificare il loro metodo, il team ha realizzato tutti i propri protocolli e il software che converte l'uscita laser in un ECG ottico liberamente disponibile.
Il team di ricerca sta già lavorando alla prossima pietra miliare di trasformare un nanolaser sviluppato di recente in un sensore ottico per la contrazione cardiaca. Essendo 1, 000 volte più piccoli dei microlaser utilizzati nel presente studio, questi laser aumenteranno ulteriormente la versatilità e la biocompatibilità, aprendo così la strada alle applicazioni del nuovo metodo in studi a lungo termine e in terapie cardiache clinicamente rilevanti.
