Le aritmie sono molto comuni e clinicamente molto rilevanti; Tuttavia, il trattamento attuale rimane in gran parte insufficiente poiché la maggior parte delle strategie terapeutiche si concentra solo sui sintomi piuttosto che sui meccanismi causali delle aritmie. Pertanto, è urgentemente necessaria una migliore comprensione dei complessi meccanismi della malattia per sviluppare trattamenti nuovi, innovativi e causali.
L'obiettivo dell'attuale collezione di metodi JoVE è quello di fornire un insieme imparziale e diversificato di protocolli che consentano di indagare in modo completo vari aspetti dell'aritmogenesi.
Un'alterata omeostasi del calcio è uno dei segni distintivi dell'aritmogenesi, ma rimane difficile da indagare poiché è necessario considerare molteplici aspetti, ciascuno dei quali richiede tecniche specifiche per lo studio 1,2. In questa raccolta di metodi, Tomsits et al. forniscono un protocollo che consente l'isolamento di cardiomiociti atriali e ventricolari dallo stesso topo e lo studio simultaneo sia della corrente di calcio di tipo L che dei transitori di calcio3. Pertanto, questo protocollo consente ai ricercatori di studiare i disturbi del calcio in modo più globale e di ridurre il numero di animali allo stesso tempo, il che rappresenta un significativo miglioramento scientifico ed etico.
Tuttavia, il patching delle cellule isolate rimane un processo complesso, laborioso e a basso rendimento4. Per risolvere questo problema, Seibertz et al. forniscono un protocollo che utilizza un colorante sensibile al voltaggio per misurare i potenziali d'azione nei cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane5. Poiché la tecnica non richiede una formazione approfondita (come necessario per il patch clamping) e può essere applicata utilizzando una configurazione sperimentale relativamente a basso costo, questo protocollo ha ampie applicazioni.
Oltre ai cardiomiociti, anche altri tipi di cellule (ad es. fibroblasti o macrofagi) svolgono un ruolo importante nell'elettrofisiologia 6,7,8. Per studiare gli effetti specifici del tipo di cellula nel sistema di conduzione, Xia et al. forniscono una guida passo-passo per identificare il nodo del seno (SAN) e il nodo atrioventricolare (AVN) nei topi 9,10, seguita da microdissezione e smistamento cellulare attivato fluorescente (FACS) per isolare e studiare i macrofagi9 o mediante imaging a immunofluorescenza a montaggio intero. Ciò consente l'identificazione di diversi tipi di cellule, la valutazione della struttura tridimensionale e lo studio dell'espressione proteica specifica del tipo di cellula all'interno del SAN/AVN10.
Inoltre, le registrazioni di array multi-elettrodo (MEA) possono essere eseguite su tali preparazioni a montatura intera come presentato da Kumar et al.11. Questo metodo è un'eccellente aggiunta alle tecniche attualmente utilizzate in quanto è relativamente veloce e semplice e fornisce anche una risoluzione spaziale superiore. Consente interventi farmacologici e può essere facilmente applicato ad altre regioni specifiche del cuore (ad esempio, l'AVN).
Il sistema nervoso autonomo svolge un ruolo essenziale nell'elettrofisiologia 12,13,14 ed esistono strategie di trattamento, come la simpatectomia 15,16,17,18 o l'ablazione dei gangli cardiaci 19. Tuttavia, le basi meccanicistiche sono ancora in gran parte sconosciute, soprattutto perché le strutture anatomiche del sistema nervoso autonomo non sono facilmente accessibili nei topi. In questo numero, Scherschel et al. forniscono un protocollo che consente l'identificazione e la dissezione dei gangli stellati nei topi per studiare l'espressione genica e proteica in vari tipi di cellule20. Ciò consentirà lo studio di nuovi aspetti del rimodellamento autonomo.
Studiare l'elettrofisiologia a livello cellulare è fondamentale per studiare i meccanismi fondamentali. Tuttavia, sono ancora necessari studi in vivo su modelli animali per convalidare i risultati cellulari e per confermare la rilevanza (pato-)fisiologica delle strutture bersaglio identificate21. I topi sono i più utilizzati, ma soprattutto la generazione di topi transgenici è complessa. In questo numero, Shimura et al. presentano un protocollo che utilizza l'editing genetico CRISPR-Cas9 per studiare in modo specifico i complessi ruoli regolatori delle proteine troncate e i loro effetti in vivo. Per questo, hanno generato un modello murino transgenico che ospita una singola mutazione puntiforme nel gene GJA1 che codifica per la connessina-43. Ciò risulta in un'espressione regolare del Cx43 a lunghezza intera ma in un'espressione ridotta di un Cx4322 troncato.
Uno dei principali limiti degli studi in vivo è la necessità di anestetizzare gli animali durante gli esperimenti, che può influenzare vari parametri elettrofisiologici e quindi non rappresentare la situazione "reale"23,24. I dispositivi telemetrici, d'altra parte, consentono lo studio di topi svegli e in movimento libero per lunghi periodi da diverse settimane a mesi25,26. Rötzer et al. descrivono come impiantare dispositivi telemetrici per registrare simultaneamente la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna nei topi, il che consente specificamente l'indagine del sistema nervoso autonomo e della sensibilità baroriflessa27.
Sebbene i dispositivi di telemetria siano strumenti molto potenti, rimane una sfida importante: come analizzare questi grandi set di dati. Per risolvere questo problema, Tomsits et al. sviluppano un protocollo per analizzare le registrazioni ECG telemetriche in modo semi-automatico standardizzato28. Seguendo il loro protocollo, i ricercatori possono ottenere parametri ECG fondamentali (ad esempio, frequenza cardiaca o intervallo PR) e screening per aritmie definite individualmente (ad esempio, pause, bradicardia/tachicardia). È importante sottolineare che discutono anche le sfide e le insidie della registrazione e dell'analisi degli ECG telemetrici, comprese alcune indicazioni per migliorare la qualità del segnale.
I dispositivi medici di nuova concezione, come le valvole protesiche, vengono accuratamente testati in modelli animali prima della loro applicazione su pazienti umani29. Tuttavia, gli studi su animali sani potrebbero non tradursi perfettamente in pazienti umani, in particolare quelli che hanno subito un intervento chirurgico in precedenza30,31. Per superare tali limitazioni, Grab et al. forniscono un protocollo per la stampa 3D di modelli cardiaci individuali e specifici per il paziente32. I loro modelli sono elastici e assomigliano a proprietà biomeccaniche e caratteristiche emodinamiche simili ai pazienti umani; Questi modelli consentono l'insegnamento dei medici, la sperimentazione di nuove procedure o dispositivi interventistici e la pianificazione di strategie di trattamento individualizzate, soprattutto in pazienti con anatomia complessa.
I protocolli forniti in questa raccolta di metodi JoVE supporteranno molti ricercatori nello studio dell'elettrofisiologia e delle aritmie. Il principale punto di forza di questa collezione è che fornisce miglioramenti e innovazioni per le tecnologie tradizionali, ma dimostra anche nuovi approcci per studiare vari aspetti dell'aritmogenesi. Questa raccolta contribuirà quindi ad ampliare la nostra comprensione di queste malattie complesse e, in ultima analisi, a sviluppare terapie innovative per i pazienti con aritmie.