Laboratorio de Biofísica de Sistemas Excitables

Modelos experimentales y computacionales de arritmias cardiacas

La actividad rítmica es inherentes al proceso de la vida. Algunos ritmos perduran toda la existencia y una breve interrupción de ellos conduce a la muerte; otros se activan durante períodos más o menos largos y después desaparecen. Otros más están bajo control voluntario. Los diferentes ritmos fisiológicos interactúan entre sí y con el entorno para ajustarse a los cambios y requerimientos de un organismo. Las alteraciones en el rango normal de variación de un ritmo, o la aparición de ritmos anómalos, casi siempre van asociadas con enfermedad.

Nuestro grupo trabaja en el análisis de las dinámicas del ritmo cardiaco y sus alteraciones, conocidas como arritmias o disritmias. Trabajamos con modelos experimentales: porciones de tejido o células cultivadas, y también con modelos computacionales para el estudio de la propagación en sistemas excitables.

Las herramientas de estudio que manejamos incluyen, registro intracelular de la actividad de cardiomiocitos ventriculares de mamífero; la detección por fluorescencia de la propagación de la actividad de células cardiacas cultivadas. Para los modelos computacionales se han desarrollado programas que reproducen sistemas excitables unidimensionales o bidimensionales, con el objetivo de simular condiciones patológicas, como la isquemia, en el tejido cardiaco.

En investigación básica, el desarrollo de modelos experimentales y computacionales ayuda a entender situaciones de estrés fisiológico o verdaderamente patológicas, situaciones que son difíciles de detectar o seguir con métodos clínicos. Así el empleo de diferentes frecuencias de estimulación periódica, de perturbaciones aisladas, de variaciones en la composición del medio extracelular, ha revelado la capacidad del tejido cardiaco para acoplarse a regímenes de trabajo muy cambiantes. Por ejemplo, se conoce que al aumentar la frecuencia de estimulación, cuando se reduce la intensidad de estimulación, o bien cuando existe alguna condición de excitabilidad disminuida, como por ejemplo por un descenso en la temperatura o con alto potasio extracelular, las respuestas del tejido excitable se ajustan con patrones que incluyen acoplamientos diferentes del 1:1, en el que por cada estímulo se presenta una respuesta; pueden mostrar acoplamiento 2:2, se dan aun respuestas a cada estímulo pero con características distintas entre sí, se necesita ahora la ocurrencia de dos eventos para que se reconozca periodicidad. Al continuar variando el intervalo entre estímulos o si se deterioran más las condiciones del tejido, pueden verse bloqueos de la respuesta y otros patrones que alcanza una complejidad muy grande.

Con la ayuda de modelos teóricos físico-matemáticos se pueden organizar los diferentes patrones de respuesta en función de alguna de las variables estudiadas. En ciertos casos estas descripciones siguen secuencias descritas por modelos deterministas, como en las secuencias de bifurcación que predicen las transiciones de ritmos: 1:1 -> 2:2 -> 4:4 -> ...-> Caos. Sin embargo, en la generalidad de los casos experimentales es difícil lograr todos los patrones de acoplamiento entre los estímulos y respuestas que propone la teoría dadas las especificidades de los sistemas reales, lo cual a su vez lleva hacer cambios a los modelos teóricos. Una vertiente de estos estudios está representada por los trabajos de L. Glass y M. Guevara. Autores que estudian las propiedades de osciladores no lineales mediante un análisis de perturbaciones. A partir de nuestra visita al Centro de Dinámica o Lineal en Fisiología y Medicina de la Facultad de Medicina, en la Universidad de McGill, Canadá, realizamos parte de nuestros proyectos en colaboración con los investigadores referidos.

Los proyectos que comprenden estudios computacionales, se basan en un modelo de ecuaciones diferenciales acopladas que mimetiza las propiedades de las conductancias iónicas más relevantes para el desarrollo de Potenciales de Acción en tejido ventricular de mamífero. Se sabe que la actividad de alta frecuencia aumenta la concentración de potasio extracelular depolarizando la membrana y reduciendo la excitabilidad, de ahí nuestro interés por contribuir a la caracterización de los cambios en la propiedades biofísicas del tejido cardiaco bajo isquemia. El modelo referido, permite el control de la concentración de potasio extracelular, que es una de las variables más estudiadas durante el desarrollo de arritmias que llevan a condiciones de isquemia. Contamos con un arreglo de 12 computadoras personales, dispuestas como ensamble o "cluster", lo que permite aprovecharlas como recursos de supercómputo.

En nuestro laboratorio contamos con el equipo y las técnicas necesarias para llevar a cabo el desarrollo de cultivos primarios de células cardiacas. Las monocapas de tejido exhiben actividad espontánea, y con la ayuda de colorantes fluorescentes se pueden reconocer patrones característicos: ondas planas, espirales, intermitencia, etc. Para el registro de su actividad contamos con un microscopio invertido para fluorescencia, y el juego de filtros y prismas correspondientes para los fluorocromos que empleamos. Se utiliza una cámara CCD que permite la captura digital de las imágenes. Con ellas tenemos un registro de los patrones de actividad en regiones relativamente extendidas.. Así, hemos visto que una geometría determinada restringirá los patrones observados. Por ejemplo, cuando hemos cultivado las células en forma de anillos delgados, de 1 mm de ancho, no es posible la formación de espirales, en cambio se observan patrones que dependen en forma compleja del número de marcapasos desarrollados.

En un tercer proyecto se trabaja con músculos papilares de mamífero como modelo de un sistema excitable, el cual sometido a estimulación periódica y de frecuencia creciente, nos permite estudiar mediante registros intracelulares, los patrones de respuestas desarrollados por este músculo ventricular. Los registros se obtienen con microelectrodos de vidrio convencionales y con ellos se han obtenido una extensa gama de patrones de acoplamiento del sistema estudiado.

Están asociados al Laboratorio los estudiantes Alejandro López (doctorado en física), Ma. Josefa Labrandero (doctorado en física), Miriam Rebollar (maestría en física médica), Silvia Romero (licenciatura en matemáticas), Enrique Palacios (licenciatura en matemáticas) y recién egresada Gabriela Arriola (licenciatura en biología).

Participamos en cursos regulares de las licenciaturas en biología y física, dirigiendo tesis de licenciatura y posgrado, en comités tutorales de los posgrados en ciencias biológicas y ciencias físicas, impartimos asesorías y tutorías a los estudiantes. Participamos en conferencias y simposios sobre divulgación de la ciencia, congresos nacionales e internacionales, seminarios departamentales de Facultades e Institutos. Coloquios sobre educación y políticas educativas. Nuestros resultados han aparecido en revistas especializadas del área de física, como Chaos y Physics Review Letters, y de biología: Biosystems y Journal of Theoretical Biology; recientemente, en los Archivos de Cardiología de México.

Proyectos

http://sistemas.fciencias.unam.mx/~hgg/index.html

Artículos

Análisis de imágenes de fluorescencia de calcio en cultivos de células son actividad espontánea, XXIX Congreso Internacional de Ingeniería Electrónica, ELECTRO 2007. Lerma C., *Torres A., *Falcón-Neri A., *Fiordelisio T., González G. H. *Facultad de Ciencias UNAM y Departamento de Instrumentación del INC-Ignacio Chávez.

Rhythms of high-grade block in an ionic model of a strand of regionally ischemic ventricular muscle, alejandro lópez, humberto arce y michael guevara, Journal of Theoretical Biology, 249, 29-45, 2007.

Phase reseting, phase locking, and bistability in the perioodically driven saline oscillator: experiment and model. Hortensia González, Humberto Arce y Michael Guevara. Aceptado en Physicak Review E.

Nos encontramos en el cuarto piso del Departamento de Física.