Plötslig hjärtdöd till följd av flimmer - oregelbunden hjärtslag på grund av elektrisk instabilitet - är en av de främsta dödsorsakerna i USA. Nu, forskare har upptäckt en helt ny källa till den elektriska instabiliteten, en utveckling som potentiellt kan leda till nya metoder för att förutsäga och förebygga livshotande hjärtflimmer.

Ett stabilt hjärtslag upprätthålls av elektriska signaler som har sitt ursprung djupt i hjärtat och färdas genom muskelorganet i regelbundna vågor som stimulerar den samordnade sammandragningen av muskelfibrer. Men när dessa vågor avbryts av blockeringar i elektrisk ledning - såsom ärrvävnad från en hjärtattack - kan signalerna störas, skapa kaotiska spiralformade elektriska vågor som stör varandra. Den resulterande elektriska turbulensen får hjärtat att slå ineffektivt, som snabbt leder till döden.

Forskare har känt att instabilitet på mobilnivå, särskilt variation i varaktigheten för varje elektrisk signal - känd som en åtgärdspotential - är av primär betydelse för att skapa kaotisk flimmer. Genom att analysera elektriska signaler i en djurmodells hjärtan, forskare från Georgia Institute of Technology och U.S. Food and Drug Administration har hittat en ytterligare faktor - den varierande amplituden av åtgärdspotentialen - som också kan orsaka farlig elektrisk turbulens i hjärtat.

Forskningen, med stöd av National Science Foundation, rapporterades 20 april i tidningen Fysiska granskningsbrev .

"Matematiskt, vi kan nu förstå några av dessa livshotande instabiliteter och hur de utvecklas i hjärtat, "sa Flavio Fenton, professor i Georgia Tech's School of Physics. "Vi har föreslagit en ny mekanism som förklarar när flimmer kommer att inträffa, och vi har en teori som kan förutsäga, beroende på fysiologiska parametrar, när detta kommer att hända. "

Spänningssignalen som styr det elektriskt drivna hjärtslaget kartläggs av läkare från kroppsytan med hjälp av elektrokardiogramteknik, som kännetecknas av fem huvudsegment (P-QRS-T), var och en representerar olika aktiveringar i hjärtat. T -vågor uppstår i slutet av varje hjärtslag, och ange den bakre delen av varje våg. Forskare har känt att avvikelser i T-vågen kan signalera en ökad risk för en potentiellt livshotande hjärtrytm.

Fenton och hans medarbetare studerade amplituden för cellulär actionpotential, som styrs av natriumjonkanaler som ingår i hjärtats naturliga regleringssystem. Natriumjoner som flyter in i cellerna ökar koncentrationen av katjoner - som bär en positiv laddning - vilket leder till ett fenomen som kallas depolarisering, i vilken cellens åtgärdspotential stiger över dess vilonivå. Natriumkanalerna stängs sedan vid toppen av åtgärdspotentialen.

Medan variationer i åtgärdspotentialens varaktighet indikerar problem med hjärtats elektriska system, forskarna har nu associerat dynamiska variationer i åtgärdspotentialens amplitud med ledningsblock och början av flimmer.

"Vi har för första gången visat att en fundamentalt annorlunda instabilitet relaterad till amplitud kan ligga till grund för eller dessutom påverka risken för hjärtinstabilitet som kan leda till flimmer, "sade Richard Gray, en av studiens medförfattare och en biomedicinsk ingenjör vid Office of Science and Engineering Laboratories i U.S. Food and Drug Administration.

Den matematiska analysen ger en enkel förklaring.

"Du kan ha en våg med en lång amplitud följt av en våg med en kort amplitud, och om den korta blir för kort, nästa våg kommer inte att kunna sprida sig, "sa Diana Chen, en Georgia Tech doktorand och första författare till studien. "Vågorna som går genom hjärtat måste röra sig tillsammans för att bibehålla ett effektivt hjärtslag. Om en av dem går sönder, den första vågen kan kollidera med nästa våg, initierar spiralvågorna. "

Om liknande resultat finns i mänskliga hjärtan, denna nya förståelse för hur elektriska turbulensformer kan göra det möjligt för läkare att bättre förutsäga vem som riskerar att få flimmer. Informationen kan också leda till utveckling av nya läkemedel för att förebygga eller behandla tillståndet.

"Ett nästa vetenskapligt steg skulle vara att undersöka läkemedel som skulle minska eller eliminera instabilitet i cellulär amplitud, "sa Gray." För närvarande, de flesta farmaceutiska tillvägagångssätt är inriktade på åtgärdspotentialens varaktighet. "

Den elektriska vågornas kritiska roll i styrningen av hjärtats aktivitet gör att fysik - och matematik - kan användas för att förstå vad som händer i detta mest kritiska organ, Sa Fenton.

"Vi har härlett en matematisk förklaring till hur detta händer, varför det är farligt och hur det initierar arytmi, "förklarade han." Vi har nu en mekanism som ger en bättre förståelse för hur dessa elektriska störningar härstammar. Det är först när du har dessa förändringar i vågamplituden som signalerna inte kan sprida sig ordentligt. "