O tempo é essencial ao tratar um paciente que está sofrendo um ataque cardíaco. Os cirurgiões cardíacos tentam estabilizar rapidamente o coração aplicando reperfusão, uma técnica que restaura o oxigênio para o coração, abrindo vasos bloqueados com balões e stents. Embora a reperfusão possa restaurar a função cardíaca, essas infusões repentinas de oxigênio também podem causar lesões ainda mais graves nas regiões do coração.

"É uma espada de dois gumes, "diz Anthony McDougal, um aluno de pós-graduação no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "O rápido retorno do oxigênio é necessário para que o coração sobreviva, mas também pode oprimir o coração. "

Agora McDougal desenvolveu um modelo que prevê a resposta de uma única célula do coração à diminuição do suprimento de oxigênio. Especificamente, avalia a capacidade de uma célula de continuar produzindo ATP - a fonte primária de combustível de uma célula - e permanecer viva, mesmo estando cada vez mais privado de oxigênio.

O modelo é um primeiro passo para prever se as técnicas de reperfusão ajudarão ou prejudicarão ainda mais um coração esgotado. Também pode ajudar a determinar a quantidade ideal de oxigênio a ser aplicada, dado o grau de deterioração do coração.

"Parte do motivo pelo qual estamos interessados ​​na reperfusão é que não temos certeza de qual é a escala de tempo durante a qual podemos reintroduzir o oxigênio, "McDougal diz." Se o tecido foi privado de oxigênio por mais tempo, você corre mais risco de oxigênio danificar o tecido. Isso se torna mais problemático à medida que você tenta resolver esses problemas, especialmente em locais rurais que podem ter menos acesso a hospitais. "

Os resultados são publicados este mês no Journal of Biological Chemistry . O co-autor e conselheiro de McDougal é C. Forbes Dewey, professor emérito de engenharia mecânica e engenharia biológica.

Mudanças de coração

McDougal e Dewey procuraram rastrear o metabólico, condições de produção de energia dentro de uma célula do coração à medida que ela é progressivamente privada de oxigênio. Embora alguns cientistas tenham explorado isso por meio de vários modelos celulares, a maioria desses modelos foi limitada a escalas de tempo curtas, cerca de um a dois minutos após as células saudáveis ​​terem sido privadas de oxigênio.

McDougal queria, em vez disso, ver como uma célula do coração muda em uma escala de tempo muito mais longa, para entender como o coração de um paciente pode evoluir desde o momento em que se torna privado de oxigênio até o ponto em que o paciente pode receber reperfusão.

“Decidimos ver como está o estado da célula até o momento da reperfusão. Como está indo, e quais são as principais peças a considerar quando você começa a reperfundir? ”, diz McDougal.

A equipe se concentrou em modelar o efeito do declínio do suprimento de oxigênio nas reações químicas responsáveis ​​pela produção de ATP em uma célula do coração.

McDougal identificou 32 espécies moleculares gerais envolvidas em reações em cadeia separadas para produzir ATP. Ele então examinou a literatura científica para encontrar equações enzimáticas que descrevem como cada reação individual funciona, incluindo sua dependência de oxigênio. Ele então compilou as equações para todas as 32 reações em um modelo.

"Houve muitos casos em que ele teve que estimar as taxas de reação, porque dois artigos diferentes teriam resultados diferentes, com base em diferentes experiências com animais ou diferentes condições, e ele teve que trabalhar para trás para tentar normalizar os resultados para ver quais relações biológicas ele poderia tirar delas que fossem significativas, "Dewey diz.

Depois que ele compilou todas as equações no modelo, McDougal executou mais de 200 simulações, para ver como a produção total de ATP de uma célula muda conforme cada reação de produção de ATP se adapta a vários níveis de oxigênio ao longo de vários períodos de tempo.

Estável, estável, então um acidente

Surpreendentemente, as simulações do modelo mostram que as células do coração podem continuar gerando ATP, mesmo com níveis de oxigênio tão baixos quanto 10 por cento da concentração ideal em células saudáveis.

Com suprimentos saudáveis ​​de oxigênio, ATP é produzido via glicólise, um processo aeróbio que requer oxigênio para iniciar uma cascata de reações químicas envolvendo várias espécies moleculares, tudo terminando na produção saudável de ATP. Para liberar energia útil, a célula usa uma enzima para retirar uma molécula de fosfato da estrutura ATP de três fosfato, deixando ADP (difosfato de adenosina) e usando o único fosfato para alimentar várias atividades celulares.

À medida que o suprimento de oxigênio cai para cerca de 10 por cento, essas reações dependentes de oxigênio produzem cada vez menos ATP. É quando os processos de "backup" anaeróbicos ficam online. Por exemplo, a espécie molecular de fosfato de creatina se combina com uma enzima para clivar seu grupo fosfato, anexando-o ao ADP para formar mais ATP. Quando as reservas de fosfato de creatina diminuem, o glicogênio de uma célula entra para cumprir seu papel, manutenção dos níveis de ATP.

"O glicogênio é apenas uma grande bola de glicose, e em um certo ponto, com ainda mais pressão no ATP, a célula pode puxar moléculas individuais de glicose dessa bola de cabelo e transformá-la em energia, "McDougal diz.

Resumidamente, a equipe descobriu que, mesmo que o oxigênio possa ser severamente limitado, as células cardíacas parecem cavar fundo em seus arsenais de energia para manter os níveis de ATP e se manter vivas.

Contudo, eventualmente, conforme o oxigênio se aproxima de zero, até mesmo as reservas de backup desligadas, fazendo com que os níveis de ATP falhem - um ponto sem retorno para uma célula cansada. Interessantemente, McDougal observou um estágio intermediário, em que os níveis de ATP de uma célula cardíaca caem, mas ainda não caíram.

"Estes são os seus casos no fio da navalha, onde qualquer pequena perturbação na célula poderia causar uma espiral e morrer, ou volte e fique vivo, "McDougal diz.

Portanto, é essencial saber a quantidade certa de oxigênio a ser introduzida nas porções isquêmicas do coração que estão nesses estados precários. Por exemplo, em alguns casos, em vez de introduzir um fluxo de oxigênio diretamente em uma região esgotada, Dewey diz que os cientistas podem considerar a introdução de pequenas quantidades de oxigênio no vaso recém-aberto para que ele possa se difundir lentamente nas áreas feridas, sem choque ou dano. "Alguns experimentos com animais sugerem que isso pode ser benéfico, "Dewey diz." Agora temos um modelo que pode começar a avaliar muitos novos métodos de tratamento, buscando aqueles que têm uma promessa excepcional. "

"Esperançosamente com o tempo, podemos criar um mapa melhor de quanto oxigênio fornecer exatamente, em que momento, "McDougal acrescenta.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.