As frequências cardíacas são mais fáceis de monitorar hoje do que nunca. Graças aos smartwatches que podem detectar o pulso, basta um rápido movimento do pulso para verificar o seu coração. Mas monitorizar as células responsáveis pela frequência cardíaca é muito mais desafiante – e incentivou os investigadores a inventar novas formas de as analisar.

Joseph Wu , MD, PhD, diretor do Stanford Cardiovascular Institute e professor de medicina e radiologia, desenvolveu um novo modelo de tecido cardíaco derivado de células-tronco que fornece informações sobre as condições que surgem quando as células cardíacas batem descontroladamente. Em particular, Wu está estudando um distúrbio chamado taquicardia, que aumenta a frequência cardíaca e pode levar à cardiomiopatia, na qual o coração perde a capacidade de bombear sangue suficientemente em pessoas com estruturas cardíacas saudáveis. 

“A taquicardia é provavelmente mais comum do que pensamos”, disse o pós-doutorado Chengyi Tu, PhD, que ajudou a liderar o trabalho. “Acredita-se que seja subdiagnosticado porque o aumento da frequência cardíaca é bastante comum em diferentes tipos de doenças cardíacas e fica mascarado”.

Para estudar a cardiomiopatia induzida por taquicardia, os pesquisadores projetaram células cardíacas a partir de células-tronco humanas para descobrir como o motor do nosso corpo funciona quando está acelerado.

“A modelagem da cardiomiopatia induzida por taquicardia com tecidos cardíacos derivados de células-tronco humanas nos permite compreender melhor o impacto das frequências cardíacas aceleradas em nossos corpos”, disse Wu, Simon H. Stertzer, MD, professor e autor sênior do estudo . . Foi publicado em 27 de novembro na Nature Biomedical Engineering . Tu é o autor principal.

Ao contrário da maioria dos tipos de tecidos de órgãos, as células do coração são extremamente difíceis de cultivar em laboratório. As células cardíacas dos pacientes cultivadas em uma placa tendem a se desdiferenciar – ou perder sua função primária e deixar de bater.

“Idealmente, você deseja colher amostras do coração de um paciente logo após o diagnóstico da doença, durante a doença e após o tratamento”, disse Tu. “Para validar sua descoberta, você precisa de muitas réplicas para obter poder estatístico, mas clinicamente, é impossível coletar amostras com tanta frequência.”

Dada a escassez de tecido, Wu e seus colegas cultivaram mais de 400 amostras de tecido cardíaco a partir de células-tronco para observar como funcionam as células cardíacas, um processo que durou mais de quatro anos.  

“Fazer tecido cardíaco modificado é muito diferente de cultivar células em uma placa. O cronograma é muito longo”, disse Tu. A geração de células cardíacas a partir de células-tronco leva cerca de duas semanas; juntá-los em um tecido 3D e amadurecê-los leva quase dois meses. 

Usando uma câmara com fio, os pesquisadores estimularam eletricamente as células, induzindo taquicardia. Eles testaram se as células poderiam se recuperar da taquicardia ao longo de 10 dias. Durante os primeiros cinco dias, a capacidade de contração das células diminuiu continuamente para cerca de 50% da função normal. Mas assim que os pesquisadores interromperam a estimulação elétrica, as células se recuperaram totalmente em cinco dias.

Isso está de acordo com o que os médicos já sabem sobre a cardiomiopatia induzida por taquicardia – é principalmente reversível. Quando a frequência cardíaca de uma pessoa diminui novamente, a função do tecido cardíaco volta ao normal.

Em outro experimento, os pesquisadores induziram taquicardia em um grupo diferente de tecido cardíaco modificado. Depois, após interromper a estimulação, a equipe suplementou os tecidos com NAD –– uma molécula que suporta reações energéticas –– e viu a função das células cardíacas se recuperar mais rapidamente. Os tecidos suplementados recuperaram 83% da sua função original no primeiro dia, enquanto o grupo não tratado apresentou pouca melhoria.

Para validar suas descobertas, a equipe comparou os tecidos cardíacos projetados com dados clínicos humanos e dados de modelos caninos. “Fiquei surpreso com o quão bem os tecidos cardíacos projetados imitam os corações humanos reais”, disse Tu.

Durante a taquicardia, o coração pode ter dificuldade para bombear o sangue para o resto do corpo porque a frequência cardíaca acelerada impede que as câmaras do coração se encham e se contraiam totalmente. Se persistir por vários dias ou semanas, o que pode acontecer em casos graves, os vasos sanguíneos param de fornecer oxigênio suficiente ao tecido cardíaco e ao resto do corpo.

Ao bater normalmente, o coração usa a gordura como fonte de energia, mas a decomposição das gorduras requer muito oxigênio. Sem oxigênio, a fonte de combustível do coração muda para o açúcar, em um processo chamado religação metabólica. A troca de combustível e a hipóxia, ou falta de oxigênio, contribuem para uma diminuição na relação NAD/NADH, uma dupla química vital que ajuda a manter a função de uma proteína no tecido cardíaco conhecida como SERCA.

“Níveis variados da proteína SERCA atuam como o pedal do acelerador e do freio de um carro”, disse Tu. Quando os pesquisadores aumentam a quantidade de NAD, o pedal do acelerador do coração é acionado e a proteína SERCA fortalece o batimento cardíaco das células projetadas. Quando diminuídos, os tecidos cardíacos modificados pisam no freio, fazendo-os bater mais fracamente.

Ao administrar NAD aos pacientes por meio de um suplemento disponível no mercado ou por injeção intravenosa, os médicos acreditam que podem restaurar o equilíbrio químico e acelerar a recuperação do paciente.

Juntamente com um novo possível suplemento para ajudar os pacientes a recuperarem da taquicardia, a investigação demonstra a importância de novos métodos para modelar a doença. No ano passado, o presidente Joe Biden sancionou a Lei de Modernização 2.0 da FDA, que eliminou a exigência de testes em animais antes dos testes de medicamentos em humanos. “Agora, há mais necessidade de modelos não animais para complementar os modelos animais”, disse Tu. “Este trabalho prova que é possível modelar condições cardíacas complexas usando um modelo universal não animal para estudar esta doença e testar possíveis terapêuticas.”

Este estudo foi financiado pela American Heart Association, pelos National Institutes of Health (doações K99 HL164962, K01 HL130608, R01 HL151345, R01 HL163680, R01 HL141371, R01 HL113006, R01 HL150693 e P01 HL141084) e pela National Aeronautics and Space Administração.