Компьютер вместо сердца
3 мин чтения
Компьютер вместо сердца

В МФТИ исследуют аритмию с помощью компьютера

Исследовательская группа МФТИ и Гентского университета (Бельгия) разработала первую реалистичную компьютерную модель, воспроизводящую сложное строение сердечной ткани. С помощью нее ученые надеются установить связь между структурными изменениями сердечной ткани (например, развитием фиброза) и возникновением аритмии. Хотя модель описывает пока только один слой сердечных клеток, электрические волны распространяются по виртуальному слою так же, как и по реальному. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Аспирантка МФТИ Нина Кудряшова комментирует: «В процессе старения вероятность возникновения аритмии увеличивается, отчасти это связано с появлением фиброза. У пациентов можно наблюдать уже только финальную картину строения сердечной ткани, но не сам процесс. Поэтому мы разработали математическую модель, которая смогла бы показать, какие факторы ведут к образованию того или иного типа фиброза».

Согласно статистике ВОЗ, сердечно-сосудистые заболевания являются самой частой причиной смерти в мире, из них около 40% случаев происходят внезапно и вызваны аритмией. Аритмия – это нарушение нормального ритма сокращения сердца. Сердце сокращается благодаря распространению электрических волн в сердечной ткани. Сердечная ткань состоит из разных клеток, электрические волны передают возбудимые клетки –кардиомиоциты. Кроме кардиомиоцитов, в сердечной ткани есть не передающие электрическое возбуждение клетки - например, фибробласты. Если фибробластов становится слишком много, изменяется распространение волн. Такое нарушение называется фиброзом - частой причиной аритмии. Наблюдать постепенное развитие аритмии у пациентов невозможно, но с помощью компьютерной имитации сердечной мышечной ткани можно было бы изучить взаимосвязь между клеточным строением ткани и развитием аритмии.


 

Чтобы построить достоверную модель, ученые собрали экспериментальные данные о формах клеток. Для этого они высадили культуру из сердечных клеток – кардиомиоцитов и фибробластов – в разных условиях. Вариантов было четыре: изолированные друг от друга клетки, клетки в составе единого монослоя и те же два случая, но на подложке из нановолокон. Нановолокна имитируют внеклеточный матрикс, который задает структуру ткани в реальном сердце. Благодаря нановолокнам клетки вытягиваются в одном направлении, воссоздавая устройство сердечного мышечного волокна. Таким образом, ученые собрали статистические данные о том, какой формы бывают фибробласты и кардиомиоциты, и как они взаимодействуют между собой.

Аспирантка МФТИ Валерия Цвелая объясняет: «Из-за того, что клетки сердечной ткани вытянуты в определенном направлении, ткань обладает так называемым свойством анизотропии. То есть электрические волны в разных направлениях распространяются по-разному. Если волны распространяются одинаково во всех направлениях (как, например, на слое без нановолокон), это называется изотропией».          

Для имитации формирования сердечной ткани ученые взяли за основу математическую модель, которая широко используется в исследованиях роста тканей, и оптимизировали ее с помощью собранных экспериментальных данных. Полученная модель смогла точно воспроизвести параметры форм клеток во всех четырех случаях. С помощью электрода ученые стимулировали клетки в культуре, чтобы наблюдать распространение волн возбуждения. Также они моделировали поведение волн на виртуальных образцах сердечной ткани. Получилось, что по виртуальному слою сердечной ткани волны распространяются точно так же, как и по реальному, и в изотропном, и в анизотропном случаях. Это означает, что разработанную модель действительно можно использовать для изучения свойств сердечной ткани и возможных предпосылок аритмии.

Распространение волн на сердечных тканях моделировалось и раньше, но это были простые модели, которые не воспроизводили сложную форму клеток. Кроме того, в предыдущих симуляциях фибробласты располагались случайным образом. Но реальные кардиомиоциты и фибробласты специфически взаимодействуют друг с другом, и это приводит к некоторой группировке клеток. Авторы же новой модели учли формы клеток и межклеточное взаимодействие, что делает новую компьютерную имитацию более похожей на сердечную ткань.

«Наша модель предсказывает такое же распространение волн, какое мы наблюдали в эксперименте, а значит, с помощью нее можно научиться предсказывать вероятность развития аритмии. То есть можно варьировать условия формирования ткани и смотреть, насколько вероятно развитие в ней аритмии», – поясняет руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ, профессор Константин Агладзе.

Вместе с тем, модель находится на первой стадии разработки. В ней еще не учтены некоторые факторы - например, миграция и деление клеток, которые могут влиять на формирование ткани. Кроме того, сердце трехмерное, а модель двумерная – ученым еще предстоит расширить ее до трехмерной. Благодаря этому появятся новые возможности для исследования сердечных аритмий, связанных со структурой сердечной ткани.

Читайте нас в мобильном приложении

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос Дорогу осилит обутый Далее в рубрике Дорогу осилит обутыйСибирские ученые разработали ботинки с навигационной системой, которая сможет определять координаты пользователя в плотной городской застройке, лесных массивах и даже под землей Читайте в рубрике «Сделано Русскими» Титановый Шелк – новая революционная разработкаРоссийские ученые впервые представили уникальную разработку - Титановый шелк Титановый Шелк – новая революционная разработка
Подписывайтесь на канал rusplt.ru в Яндекс.Дзен
Подписывайтесь на канал rusplt в Дзен
Комментарии
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
История, политика и наука с её дронами-убийцами
Читайте ежедневные материалы на гуманитарные темы. Подпишитесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!