Hace unos años, durante una entrevista televisiva, el periodista se sorprendía que yo describiera al corazón como algo maravilloso; no encuentro adjetivo más apropiado para calificar a este fascinante órgano. Durante medio siglo, tuve el privilegio de manipular muchos corazones humanos, esto no hizo más que aumentar mi asombro por este prodigio de la naturaleza.

En una conferencia, el físico cuántico más grande de la historia, Richard Feynman,  premio Nobel norteamericano, dijo: “Mis estudiantes de Física Cuántica no la entienden, yo no la entiendo, nadie la entiende”.

Esta anécdota podría perfectamente aplicarse al corazón humano, constituido por el músculo más resistente y enigmático del organismo, extraordinaria fuente de energía, generador de su propia electricidad, en comunicación constante con el cerebro y con una sensibilidad específica ante cualquier cambio interno o externo del cuerpo. Estas portentosas cualidades y otras más, no siempre comprendidas, hacen de esta fabulosa maquinaria biológica el centro de atención de la comunidad científica.

Desde tiempos prehistóricos, el corazón ha asombrado al género humano, tanto a profanos -conscientes de que es fuente de vida-, como a destadados expertos de la Cardiología y Ciencias Básicas.

Existen sobrados motivos, algunos analizados en este artículo de divulgación científica, para considerar al corazón como un motor biológico maravilloso, siempre dispuesto a adaptarse a nuestras necesidades, emociones, abusos y frecuentes maltratos.

 

Latidos adaptables a las demandas

El corazón humano se contrae a una frecuencia media de 70 – 80 latidos por minuto (l.p.m.) -100.000 latidos cada día-, para movilizar un volumen sanguíneo alrededor de 5 litros/min -la enorme cantidad de 8.500 litros/día, alrededor de 3.150 toneladas de sangre/año-.

Su constante contractilidad asegura el adecuado aporte de oxígeno y glucosa al cerebro para sus importantes demandas, además de otros nutrientes al resto del organismo. La anatomía y fisiología comparadas de los mamíferos demuestran que el ritmo cardiaco y el volumen sanguíneo están íntimamente relacionados al peso corporal y la actividad física.

El peso medio del corazón del ratón es 150 miligramos, del humano 250 gramos y del elefante 21 kilos, siendo la frecuencia cardiaca media del ratón es 500 l.p.m., del humano 70 l.p.m. y del elefante 20 l.p.m. Dependiendo del tipo de actividad, la frecuencia cardiaca se modifica, pudiendo llegar a duplicarse con el ejercicio o en situaciones de estrés.

El corazón es el único órgano que no recibe su aporte sanguíneo al contraerse, como ocurre con todos los órganos y tejidos del cuerpo humano. Las arterias coronarias - vasos que conducen la sangre para el funcionamiento cardiaco- tienen su origen en la aorta, a su salida del corazón, donde están localizados sus orificios de entrada -ostium coronario- que permanecen cerrados por la válvula aórtica, durante su apertura durante la contracción cardiaca -sístole- para la expulsión de la sangre.

Las múltiples ramificaciones de las dos arterias coronarias principales permanecen comprimidas durante la sístole, por lo que hasta la relajación del miocardio -diástole- no es posible el flujo sanguíneo coronario y, consecuentemente, el riego del corazón. Este órgano precisa una cantidad de sangre importante para su funcionamiento, que se incrementa con el ejercicio físico, el embarazo o las situaciones de estrés, acelerando el pulso -taquicardia-.

Con el ejercicio continuado se produce una adaptación progresiva de estos parámetros, disminuyendo la frecuencia cardiaca e incrementando el volumen sistólico, así como la capacidad de sus cavidades (dilatación cardiaca) y el grosor de sus paredes (hipertrofia ventricular), para expulsar mayor volumen de sangre con menor frecuencia cardiaca, o sea, menor gasto energético. Los deportistas profesionales suelen mantener una frecuencia cardiaca lenta (bradicardia), a pesar de realizar un importante ejercicio físico.

La investigación científica está analizando los diversos factores involucrados en los episodios de muerte súbita en deportistas profesionales y el papel que podría desempeñar el déficit del riego de la pared interna del corazón -isquemia endocárdica- que podría actuar como un inductor de arritmias ventriculares mortales.

Un músculo inagotable

Conocemos bien que el ejercicio físico ininterrumpido lleva al agotamiento muscular, obligando a detenerlo. Por el contrario, el músculo cardiaco -miocardio- está anatómicamente preparado para poder funcionar sin descanso. Para que esto sea posible, posee una microestructura en la que se conjugan perfectamente diversos elementos físicos y bioquímicos.

Recientemente, se han descubierto nuevas macromoléculas que se unen a las proteínas miocárdicas, posibilitando los permanentes cambios en la fuerza y velocidad de la contracción cardiaca según las demandas.

El análisis ultramicroscópico -microscopía electrónica- ha puesto de manifiesto una estructura única que le proporciona su ilimitada capacidad de movimientos. Esta función es posible por la existencia de unos componentes celulares denominados cardiomiocitos (30%), sostenidos en un andamiaje de cardiomioblastos (70%). La unidad anatómica y funcional del miocardio es el sarcómero-; múltiples sarcómeros se unen formando largas cadenas de miofibrillas delgadas de actina, otras gruesas de miosina y fibras elásticas, sindronizadas haciendo posible su inagotable funcionamiento.  

La contracción miocárdica se manifiesta mecánicamente por el acortamiento de dichos sarcómeros, cuando los iones de calcio se unen a la proteína cardiaca troponina-C, transformándose en tropomiosina, que tras su aporte energético, provee el ciclo ininterrumpido de contractilidad miocárdica.

Recientemente, esta compleja estructura de cardiomiocitos ha podido ser observada mediante un novedoso monitor, fabricado con nanotecnología en Japón.



Músculo cardiaco desenrrollable.  

Una estructura muscular desenrollable

El cardiólogo Francisco Torrent Guasp (1931-2005) descubrió que el corazón humano posee una banda muscular ventricular única enrollada con una configuración miocárdica helicoidal, que permite la succión de sangre (diástole) y su expulsión (sístole). Este importante hallazgo, verdadero nudo gordiano del corazón humano, puso de manifiesto que si el miocardio ventricular tuviera forma esférica, como se pensaba, sufriría agotamiento muscular. Este nuevo concepto de miocardio en banda helicoidal muestra como la activación eléctrica se inicia en el ventrículo derecho, contrayéndose el miocardio como una onda peristáltica que progresa a lo largo de toda esta banda ventricular hasta finalizar en el anillo aórtico. Esta asombrosa secuencia contráctil posibilita la succión para el llenado ventricular, seguido de una eyección para el vaciado del volumen sanguíneo contenido en el corazón.

Este importante hallazgo fue acogido con escepticismo en España, no así en los Estados Unidos, donde recibió la debida atención científica, poniendo en marcha diversos estudios con resonancia magnética que confirmaron su existencia y funcionamiento.  Basado en este descubrimiento, describieron una nueva técnica quirúrgica en California, para corregir determinados casos de infartos de miocardio extensos, que denominaron Pacopexia, en honor al científico español Paco Torrent.

Una prodigiosa fuente de combustible

La contracción cardiaca está regulada por un complejísimo proceso electrofisiológico, bioquímico y físico, con una demanda energética muy importante. Para su funcionamiento, el corazón depende de una fuente de energía constante e inagotable proporcionada por la central energética contenida de sus células, la mitocondria. Las mitocondrias miocárdicas, situadas en el interior de los cardiomiocitos, son muy abundantes -30% del volumen total-.

Los ácidos grasos constituyen el principal sustrato energético para la producción del combustible celular, molécula denominada ATP -adenosin trifosfato- formada a partir de un proceso bioquímico de fosforilación oxidativa. En el interior de los cardiomiocitos, las mitocondrias fabrican una cantidad importante de ATP, que se convierten en energía útil a través de ADP –adenosin difosfato-. Estas mitocondrias deben suministrar suficiente cantidad de carburantes (ATP/ADP), cada 15 segundos para que la contracción cardiaca continúe.

Estos requerimientos energéticos son proporcionados por unas macromoléculas, procedentes de carbohidratos, lípidos y proteinas. Los cardiomiocitos transforman la energía química de los ácidos grasos, glucosa, cuerpos cetónicos y otros substratos en energía mecánica. Lo que parece a primera vista simple, debe realizarse mediante un complejo proceso de metabolismo energético dentro del cardiomiocito, a través de diversas fases de captación de los substratos, fosforilización oxidativa y transferencia energética de fosfocreatinquinasa.

Se ha descubierto que la glucosa penetra en el cardiomiocito gracias a un transportador proteico que la conduce a su interior, denominado GLUT (del inglés, glucose transporter protein). Actualmente, se conocen 14 diferentes transportadores GLUs en el género humano.

La investigación de las bases moleculares de la contracción cardiaca y el complejo metabolismo de los cardiomiocitos están contribuyendo al mejor conocimiento y tratamiento de las enfermedades cardiacas.



Transportadores bioquímicos GLUT del corazón. Generador de electricidad

El corazón produce su propia actividad eléctrica mediante determinados procesos bioquímicos que tienen lugar en la superficie -membrana- e interior de las células, actuando como minúsculos generadores de voltaje. La entrada y salida de los iones calcio, potasio o sodio a través de las membranas celulares producen diferencias de potencial eléctrico que dan lugar a pequeñas descargas de bajo voltaje -milivoltios-.

Para que la actividad cíclica del corazón se produzca de forma ordenada disponemos de un complejo sistema de conducción que traslada esta electricidad, una red eléctrica compuesta por una malla de fibras excitables muy especializadas.

Esta actividad eléctrica comienza en un grupo de células localizadas en la aurícula derecha, que forman el denominado seno auricular o nodo sinusal, por ello, el ritmo cardiaco normal se denomina ritmo sinusal. Desde este pequeño generador autónomo, aún poco conocido, la descarga eléctrica se extiende como una “mancha de aceite” por las paredes de las aurículas. Estas células especializadas poseen su propio lenguaje con el que mantienen una comunicación continua entre ellas.

Desde el nodo sinusal, la corriente eléctrica cardiaca pasa a otro similar, nodo auriculo-ventricular, situado en la parte superior de los ventrículos, que se ramifica como un árbol desde un tronco único, llamado Haz de His, que se divide en dos ramas, y de éstas parten múltiples ramificaciones que penetran en el músculo cardiaco, la red de Purkinje, encargada de enviar finalmente la electricidad al miocardio ventricular o músculo cardiaco. Cada descarga de energía eléctrica provoca una contracción muscular del corazón, normalmente unas 70 a 80 descargas por minuto.

En la última década se ha avanzado mucho en la investigación básica y aplicada sobre la compleja actividad eléctrica del corazón, gracias a la Electrofisiología, moderna especialidad de la Cardiología, con la imprescindible ayuda de ingenieros y físicos que están diseñando y fabricando novedosos aparatos electrónicos para el tratamiento de las arritmias cardiacas.



Esquema de la red eléctrica del corazón humano. Un mecanismo valvular sincronizado

Las cavidades cardiacas -aurículas y ventrículos- están separadas por unas válvulas, cuyos movimientos de apertura y cierre están perfectamente sincronizados. Estas estructuras valvulares, delicadas y casi transparentes, están preparadas para soportar elevadas presiones sanguíneas sin romperse.

Las válvulas mitral y tricúspide, situadas entre las cavidades del lado izquierdo y derecho del corazón, respectivamente, contienen unos finos tendones -cuerdas tendinosas- que sujetan el mecanismo valvular a la pared interna de los ventrículos.

Desde hace décadas, en nuestro grupo de investigación de la Universidad de Cantabria (UC) y el Hospital Valdecilla hemos dedicado una atención especial al estudio de la estructura anatómica y funcionamiento de estas válvulas cardiacas. En el Laboratorio de Ingeniería de Biomateriales -LADICIM- de la UC, un importante grupo de ingenieros, físicos y médicos estudiamos, mediante microscopía electrónica y análisis de tracción y fatiga, las cuerdas tendinosas normales y patológicas.

Hemos encontrado que están constituidas por una microestructura asombrosa de fibras de colágeno y elastina agrupadas de manera que explican su importante resistencia a los movimientos constantes del corazón. Este patrón de agrupamiento del colágeno y elastina es diferente en casos normales y con ciertas enfermedades; por ello, estas cuerdas tendinosas pueden romperse o alargase produciendo el fallo del mecanismo de apertura-cierre valvular y, consecuentemente, ocasionar una insuficiencia cardiaca.

Mediante tomografía de coherencia óptica –OCT- con el equipo de Ingenieria Fotonica -TEISA- de la UC, tratamos de llevar a cabo el análisis de las cuerdas tendinosas durante las operaciones a corazón abierto, especie de “biopsia óptica” para determinar si las cuerdas son sanas o muestran signos de enfermedad degenerativa, para poder decidir in situ el tratamiento quirúrgico más adecuado para cada paciente.

Órgano sensible a la música

El corazón responde de forma diferente ante los diversos estímulos. La simple observación de una persona que nos agrada mucho hace que el latido cardiaco se acelere, a pesar de estar cómodamente sentado. Los sistemas nerviosos simpático y parasimpático responden a los estímulos cerebrales, incidiendo de manera instantánea, sobre el ritmo y la contracción del corazón.

Recientemente, una investigación pionera internacional utiliza la música para analizar como puede afectar a las personas, manteniéndolas en alerta o relajadas. Estudios anteriores demostraron diferentes respuestas del ritmo cardíaco tras la audición de las mismas grabaciones musicales, calificadas como tristes, alegres, tranquilas o violentas. Los investigadores midieron la actividad eléctrica del corazón, antes y después de escuchar una determinada partitura, analizando el tiempo de recuperación del corazón mediante electrofisiología, más que el ritmo cardíaco, al estar relacionado con su estabilidad o aparición de arritmias.

Estos investigadores descubrieron modificaciones significativas en el tiempo de recuperación del corazón, diferentes de unas personas a otras, utilizando las mismas coyunturas musicales. Cuando el tiempo de recuperación disminuía, se asociaba a un estado de excitación o estrés, mientras que cuando se prolongaba presentaban un estado de relajación o sensación de bienestar; en todas las personas analizadas se detectó esta repercusión directa sobre el ritmo y la fuerza contráctil del corazón.

"Estamos interesados en el tiempo de recuperación del corazón, en lugar de la frecuencia cardíaca, porque está relacionado con la estabilidad eléctrica y la susceptibilidad a los trastornos peligrosos del ritmo cardíaco. En algunas personas, las arritmias potencialmente mortales pueden desencadenarse por el estrés. Usando la música podemos estudiar, de una manera de bajo riesgo, cómo el estrés (o la tensión leve inducida por la música) altera este período de recuperación". Comenta el profesor Pier Lambiase, director médico del proyecto de investigación. Departamento de Electrofisiología del University College de Londres.

Poco a poco, el corazón humano nos va descubriendo sus secretos, sirviendo de estímulo a los científicos en esta fascinante búsqueda, que permite comprender su maravilloso funcionamiento y asombrosa adaptabilidad a nuestras necesidades y deseos.

 

“The Heart of creatures is the fundation of life, the Prince of all, the Sun of their Microcosm”

“El Corazón de las criaturas es el fundamento de la vida, el Príncipe de todo, el Sol de su Microcosmos”.

De Motu Cordis (El Movimiento del Corazón), 1628 – William Harvey (célebre médico e investigador inglés)

 

(*) Catedrático de Cirugía. Profesor Emérito de la Universidad de Cantabria