Il modo in cui un tubo cardiaco embrionale senza valvole pompa il sangue è un mistero scientifico di vecchia data. Grazie alle innovazioni nella tecnologia basata sulla luce, sono ora disponibili nuove intuizioni sulla biomeccanica della cardiogenesi dei mammiferi e, in particolare, la dinamica di pompaggio del cuore embrionale tubulare dei mammiferi.

4-D OTT (3-D + tempo)

Shang Wang dello Stevens Institute of Technology e Irina Larina del Baylor College of Medicine hanno utilizzato la tomografia a coerenza ottica 4-D (OCT) all'avanguardia per studiare per la prima volta il meccanismo di pompaggio alla base dello sviluppo del cuore dei mammiferi. Il loro rapporto, pubblicato nell'accesso aperto sottoposto a revisione paritaria Giornale di ottica biomedica , dimostra che l'imaging OCT 4-D del cuore embrionale di topo può fornire informazioni senza precedenti su come funziona il cuore dei primi mammiferi.

Lo studio dimostra la ricchezza di dati forniti da questo approccio e la sua fattibilità per indagare la relazione funzionale tra il flusso sanguigno e le dinamiche della parete cardiaca all'interno di diverse regioni del cuore embrionale dei mammiferi, una possibilità attualmente non accessibile con altri metodi. L'approccio può essere potenzialmente utilizzato per valutare il pompaggio cardiaco sullo sviluppo embrionale mentre il tubo cardiaco si rimodella, che potrebbero rivelare cambiamenti funzionali durante la cardiogenesi precoce.

Biomeccanica del cuore di topo

Le esclusive scale di imaging e i contrasti dinamici offerti da OCT consentono una profondità di imaging a livello millimetrico con una risoluzione in microscala ideale per catturare l'intero cuore del topo nelle fasi di metà gestazione. L'OCT fornisce anche una visione chiara delle strutture cardiache fini e del flusso sanguigno. L'elevata velocità di imaging dell'OCT insieme alla sincronizzazione post-acquisizione consente di ricostruire la dinamica veloce del cuore che batte.

Amy L. Oldenburg, direttore dell'Optical Coherence Imaging Laboratory presso la University of North Carolina a Chapel Hill, osservato, "Il metodo innovativo offre un nuovo modo di studiare la biomeccanica cardiaca dello sviluppo. L'analisi delle immagini OCT 4-D ha permesso a Wang e Larina di mettere in relazione il flusso sanguigno, resistenza al flusso, e gradienti di pressione indotti dai movimenti della parete cardiaca."

C'è molto da imparare. Sebbene il meccanismo che pompa il sangue all'interno del tubo cardiaco embrionale sia stato tradizionalmente pensato per essere contrazioni peristaltiche simili a onde, Wang e Larina sono stati in grado di offrire una valutazione più dettagliata utilizzando l'OCT 4-D per integrare cardiodinamica ed emodinamica. Le loro osservazioni pilota suggeriscono che il pompaggio localizzato del tubo cardiaco nei ventricoli funziona attraverso una combinazione di meccanismi di aspirazione e spinta.

Migliorare la comprensione dei difetti cardiaci congeniti

I fattori biomeccanici sono sempre più riconosciuti per il loro ruolo essenziale nello stimolare e regolare lo sviluppo del cuore. Gli autori sperano che il loro approccio possa ispirare nuove idee e progetti innovativi nelle tecniche di imaging e misurazione per valutare la biomeccanica cardiaca embrionale. In particolare, il metodo può fornire modi utili per comprendere meglio i meccanismi che contribuiscono ai difetti cardiaci congeniti, che sono formazioni anormali del cuore che si sviluppano prima della nascita. Secondo Oldenburg, i risultati di questo studio "mostrano l'utilità di questi metodi per studiare i cambiamenti biomeccanici nei cuori embrionali mutanti che modellano i difetti cardiaci congeniti". Poiché le linee di topi mutanti che modellano i difetti cardiaci congeniti sono ampiamente disponibili, il metodo può contribuire a una maggiore comprensione del primo sviluppo della forma più comune di difetto alla nascita negli esseri umani.