Plotselinge hartdood als gevolg van fibrillatie - onregelmatige hartslag als gevolg van elektrische instabiliteit - is een van de belangrijkste doodsoorzaken in de Verenigde Staten. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben een fundamenteel nieuwe bron van die elektrische instabiliteit ontdekt, een ontwikkeling die mogelijk kan leiden tot nieuwe methoden voor het voorspellen en voorkomen van levensbedreigend hartfibrilleren.

Een constante hartslag wordt in stand gehouden door elektrische signalen die diep in het hart ontstaan ​​en door het spierorgaan gaan in regelmatige golven die de gecoördineerde samentrekking van spiervezels stimuleren. Maar wanneer die golven worden onderbroken door blokkades in de elektrische geleiding - zoals littekenweefsel van een hartaanval - kunnen de signalen worden verstoord, het creëren van chaotische spiraalvormige elektrische golven die met elkaar interfereren. De resulterende elektrische turbulentie zorgt ervoor dat het hart ineffectief klopt, snel tot de dood leiden.

Wetenschappers weten dat instabiliteiten op cellulair niveau, vooral variatie in de duur van elk elektrisch signaal - bekend als een actiepotentiaal - is van primair belang bij het veroorzaken van chaotische fibrillatie. Door elektrische signalen in de harten van een diermodel te analyseren, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en de Amerikaanse Food and Drug Administration hebben een extra factor gevonden - de variërende amplitude van het actiepotentiaal - die ook gevaarlijke elektrische turbulentie in het hart kan veroorzaken.

Het onderzoek, ondersteund door de National Science Foundation, werd op 20 april gerapporteerd in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven .

"Wiskundig, we kunnen nu enkele van deze levensbedreigende instabiliteiten begrijpen en hoe ze zich in het hart ontwikkelen, " zei Flavio Fenton, een professor aan de School of Physics van Georgia Tech. "We hebben een nieuw mechanisme voorgesteld dat verklaart wanneer fibrillatie zal optreden, en we hebben een theorie die kan voorspellen, afhankelijk van fysiologische parameters, wanneer dit zal gebeuren."

Het spanningssignaal dat de elektrisch aangedreven hartslag regelt, wordt door artsen vanaf het lichaamsoppervlak in kaart gebracht met behulp van elektrocardiogramtechnologie, die wordt gekenmerkt door vijf hoofdsegmenten (P-QRS-T), die elk verschillende activeringen in het hart vertegenwoordigen. T-golven treden op aan het einde van elke hartslag, en geef het achterste gedeelte van elke golf aan. Onderzoekers weten dat afwijkingen in de T-golf kunnen wijzen op een verhoogd risico op een mogelijk levensbedreigend hartritme.

Fenton en zijn medewerkers bestudeerden de cellulaire actiepotentiaalamplitude, die wordt gecontroleerd door natriumionkanalen die deel uitmaken van het natuurlijke regelsysteem van het hart. Natriumionen die de cellen binnenstromen, verhogen de concentratie van kationen - die een positieve lading dragen - wat leidt tot een fenomeen dat bekend staat als depolarisatie, waarin de actiepotentiaal van de cel boven zijn rustniveau stijgt. De natriumkanalen sluiten dan op het hoogtepunt van de actiepotentiaal.

Hoewel variaties in de duur van de actiepotentiaal wijzen op problemen met het elektrische systeem van het hart, de onderzoekers hebben nu dynamische variaties in de amplitude van het actiepotentiaal geassocieerd met geleidingsblokkering en het begin van fibrillatie.

"We hebben voor de eerste keer aangetoond dat een fundamenteel andere instabiliteit gerelateerd aan amplitude ten grondslag kan liggen aan of aanvullend kan zijn op het risico van hartinstabiliteiten die leiden tot fibrillatie, " zei Richard Gray, een van de co-auteurs van de studie en een biomedisch ingenieur bij het Office of Science and Engineering Laboratories in de Amerikaanse Food and Drug Administration.

De wiskundige analyse geeft een eenvoudige verklaring.

"Je kunt een golf met een lange amplitude hebben, gevolgd door een golf met een korte amplitude, en als de korte te kort wordt, de volgende golf kan zich niet voortplanten, " zei Diana Chen, een afgestudeerde student van Georgia Tech en eerste auteur van de studie. "De golven die door het hart gaan, moeten samen bewegen om een ​​effectieve hartslag te behouden. Als een van hen breekt, de eerste golf kan botsen met de volgende golf, het initiëren van de spiraalgolven."

Als vergelijkbare resultaten worden gevonden in het hart van mensen, dit nieuwe begrip van hoe elektrische turbulentie zich vormt, zou artsen in staat kunnen stellen beter te voorspellen wie het risico loopt op fibrillatie. De informatie kan ook leiden tot de ontwikkeling van nieuwe medicijnen om de aandoening te voorkomen of te behandelen.

"Een volgende wetenschappelijke stap zou zijn om geneesmiddelen te onderzoeken die de cellulaire amplitude-instabiliteit zouden verminderen of elimineren, "zei Gray. "Op dit moment, de meeste farmaceutische benaderingen zijn gericht op de duur van de actiepotentiaal."

De cruciale rol van elektrische golven bij het regelen van de activiteit van het hart maakt het mogelijk natuurkunde - en wiskunde - te gebruiken om te begrijpen wat er gebeurt in dit meest kritieke orgaan, zei Fenton.

"We hebben een wiskundige verklaring afgeleid voor hoe dit gebeurt, waarom het gevaarlijk is en hoe het een aritmie veroorzaakt, " legde hij uit. "We hebben nu een mechanisme dat een beter begrip geeft van hoe deze elektrische storingen ontstaan. Alleen wanneer je deze veranderingen in golfamplitude hebt, kunnen de signalen zich niet goed voortplanten."