В МФТИ смогут моделировать аритмию на «виртуальном сердце» — Naked Science
10 минут
ФизТех

В МФТИ смогут моделировать аритмию на «виртуальном сердце»

Разработана первая реалистичная модель, которая воспроизводит сложное строение сердечной ткани.

В МФТИ смогут моделировать аритмию на «виртуальном сердце»
В МФТИ смогут моделировать аритмию на «виртуальном сердце»

Исследовательская группа из МФТИ и Гентского университета (Бельгия) разработала первую реалистичную модель, которая воспроизводит 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.

Нина Кудряшова, аспирантка МФТИ, 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, оно является 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.

41598_2017_7653_Fig1_HTML.jpg
Экспериментальная клеточная культура в четырех случаях. Желтыми оттенками показаны кардиомиоциты, синими – фибробласты. На верхних двух картинках отдельные клетки и клетки в составе единого монослоя без нановолокон, на нижних двух на подложке из нановолокон

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. Всего было четыре случая: изолированные друг от друга клетки, клетки в составе единого монослоя и то же самое, 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.

Валерия Цвелая, аспирантка МФТИ, 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.

41598_2017_7653_Fig6_HTML.jpg
Распространение электрических волн. Верхние изображения – для изотропного случая, нижние – для анизотропного. a) Экспериментальные образцы. b) Компьютерная симуляция.

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 располагаются 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 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 аритмии в этой ткани», – 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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
202 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
11 часов назад
2 минуты
Илья Ведмеденко

По мнению американского предпринимателя, первые люди смогут отправиться на Красную планету в течение шести лет. Запустить к Марсу космический корабль в беспилотном режиме Маск планирует не позднее 2022 года.

Позавчера, 20:06
10 минут
Мария Азарова

Согласно выводам нового исследования, именно бессимптомные носители коронавируса — невидимая часть айсберга пандемии Covid-19.

7 часов назад
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых выделила шесть хронотипов, которые точнее определяют биологические ритмы людей.

30 ноября
7 минут
Василий Парфенов

История с загадочным артефактом в американском штате Юта становится все запутаннее. Мало того, что, вопреки всем предосторожностям властей, «монолит» нашли любопытные граждане, так его еще украли. А недавно стало известно об аналогичной находке в Европе — на территории археологического памятника в Пятра-Нямце, Румыния.

26 ноября
33 минуты
Илья Ведмеденко

Недавние события в Нагорном Карабахе показали, что победить в современной войне, не имея ударных беспилотников, сложно. Россия пока отстает от стран Запада, Китая, Израиля и даже Турции, но делает все возможное, чтобы сократить этот разрыв.

30 ноября
5 минут
Василий Парфенов

Пилотируемый глубоководный аппарат «Фэньдоучжэ» опустился на глубину 10 909 метров в Марианскую впадину. Во время этого погружения впервые осуществлялась прямая трансляция фото и видео на поверхность.

14 ноября
34 минуты
Василий Парфенов

На вопрос, кто проживает на дне океана, люди отвечают по-разному. Дети и некоторые взрослые скажут: Губка Боб Квадратные Штаны. Фанаты Лавкрафта благоговейно, но с огоньком в глазах пробормочут нечто вроде «Ктулху фхтагн». А подводники и океанологи задумчиво посмотрят на вопрошающего и, если повезет, расскажут много интересного. Про квакеров, «биоуток», «блуп» и еще Посейдон его знает какие аномальные явления подводного мира.

22 ноября
25 минут
Александр Березин

Планеты вокруг нашего Солнца расположены совсем не так, как в других системах. И это имеет крайне необычные практические последствия: расчеты показывают, что вокруг нашей звезды должны вращаться две потенциально обитаемые планеты, а не одна, как сейчас. Одна из них куда-то бесследно исчезла – и это еще в лучшем случае. Рассказываем, почему так получилось и кто конкретно в этом виноват.

24 ноября
8 минут
Мария Азарова

Попадание патогена в эпителий слизистой дыхательных путей и захват вирусом бокаловидных клеток приводит к нарушению слизистого барьера. Из-за уменьшения количества муцина снижается не только обонятельная чувствительность, но и возникают неприятные ощущения в носу и рту, в том числе сухость.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: