A transformação de algumas células num organismo totalmente desenvolvido, completo com tecidos e órgãos funcionais, é um processo caótico mas altamente sincronizado que exige que as células se organizem de formas precisas e comecem a trabalhar em conjunto. Este processo é particularmente dramático no coração, onde as células em repouso devem começar a bater em perfeita harmonia.Agora, uma colaboração entre campus liderada por pesquisadores da Harvard Medical School e da Universidade de Harvard forneceu uma visão exata de como as células do coração começam a bater.
Num estudo com peixes-zebra, a equipe descobriu que, à medida que os níveis de cálcio e os sinais elétricos aumentam, as células cardíacas repentinamente começam a bater simultaneamente. Além disso, os pesquisadores descobriram que cada célula cardíaca tem a capacidade de bater sozinha, sem a necessidade de marca-passo, e que os batimentos cardíacos podem começar em locais diferentes. As descobertas foram publicadas recentemente na revista Nature.
“As pessoas têm prestado tanta atenção ao batimento cardíaco que este tem sido um foco de investigação há muito tempo, mas esta é a primeira vez que conseguimos estudá-lo em profundidade com uma resolução tão alta”, disse o co-autor Sean Megason, professor de biologia de sistemas no Instituto Blavatnik da Escola Médica de Harvard.
Para biólogos curiosos, compreender os mecanismos básicos dos batimentos cardíacos pode ser interessante por si só, mas também é fundamental para compreender o que acontece quando o sistema cardíaco que regula os batimentos cardíacos não se desenvolve adequadamente ou começa a funcionar mal.
O co-autor Adam Cohen, professor de química e biologia química e física na Universidade de Harvard, disse:"Na vida de uma pessoa, o coração bate aproximadamente 3 bilhões de vezes e nunca descansa. Queríamos ver como esta máquina incrível foi ligada pela primeira vez."
Os pesquisadores não estavam tentando estudar como o coração começa a bater. Em vez disso, procuravam uma questão científica que combinasse a experiência do laboratório Cohen em imagens de actividade eléctrica com o interesse do laboratório Megason em estudar como as células do peixe-zebra em desenvolvimento aprendem a comunicar e a cooperar.
A pesquisa deles vai direto ao coração. Os investigadores perceberam que, apesar de milhares de anos de estudo do coração em desenvolvimento, começando com as observações de pintinhos feitas por Aristóteles, os detalhes de como as células cardíacas começam a bater permaneciam um mistério que poderiam potencialmente resolver.
“Queríamos responder a uma questão fundamental: como as células do coração passam do repouso para o batimento?” Megason explica. "O coração começar a bater é um acontecimento que ocorre uma vez na vida, mas como isso acontece não é óbvio."
Este foi um estudo exploratório, então eles não sabiam o que encontrariam. Eles especularam que talvez algumas células começassem a bater e a área de batimento se expandisse lentamente; talvez diferentes partes do coração tenham começado a bater de forma independente e eventualmente se fundiram; talvez o coração tenha começado a bater fracamente e gradualmente tenha ficado mais forte com o tempo.
Acontece que a resposta não é nenhuma das duas.
Os pesquisadores usaram proteínas fluorescentes e imagens de microscopia de alta velocidade para capturar mudanças no conteúdo de cálcio e na atividade elétrica nas células cardíacas de embriões de peixe-zebra em desenvolvimento. Eles ficaram surpresos ao descobrir que todas as células do coração passaram subitamente de não-batentes para batidas - caracterizadas por picos simultâneos de íons de cálcio e sinais elétricos - e imediatamente começaram a bater em sincronia, como se alguém tivesse acionado um interruptor.
Outros experimentos mostraram que, a cada batimento cardíaco, uma área do coração dispara primeiro, desencadeando uma corrente elétrica que flui rapidamente através de outras células, fazendo com que sigam o exemplo.
Curiosamente, os batimentos cardíacos de diferentes peixes-zebra começam em pontos diferentes, sugerindo que as células que disparam primeiro não são únicas. Esta descoberta é contra-intuitiva porque as células do coração adulto se comportam de maneira diferente.
“No coração adulto, existe uma população dedicada de células marca-passo que impulsionam o batimento cardíaco, enquanto a maioria das células do coração embrionário tem a capacidade de bater por conta própria, tornando difícil prever onde ocorrerá o primeiro batimento”, disse o primeiro autor Bill Jia, um estudante de pós-graduação nos laboratórios Cohen e Megson.
Como as células cardíacas começam a bater num instante, devem desenvolver a capacidade de bater e sentir o batimento das células vizinhas antes do primeiro batimento cardíaco – Megason compara isto a um exército que tem de começar a marchar em sincronia sem prática.
Jia acrescentou: "O coração primeiro precisa aprender a acompanhar o ritmo sem um relógio, e as células individuais precisam primeiro aprender a cooperar sem concordar com seus papéis. Um batimento cardíaco regular é muito importante, mas no início da vida, os batimentos cardíacos rapidamente deixam de ser uma bagunça aparentemente organizada."
O desenvolvimento do peixe-zebra fornece um modelo conveniente para estudar o coração porque é transparente, cresce rapidamente – leva apenas 24 horas para produzir um batimento cardíaco – e pode ser visualizado por mais de uma dúzia de câmeras. No entanto, Megason acredita que os mesmos processos de desenvolvimento podem ser consistentes entre as espécies, incluindo os humanos.
A equipe de pesquisa observou que esta descoberta abre portas para uma maior compreensão do desenvolvimento dos batimentos cardíacos em diferentes espécies, e pode um dia revelar como os batimentos cardíacos irregulares, como a arritmia, ocorrem em humanos. Observando o desenvolvimento do coração, podemos ver como os diferentes mecanismos de controle estão dispostos em camadas, o que pode nos dizer o que acontece se esses mecanismos falharem.