18.08.2017
ФизТех
77

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.
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.
Вчера, 13:04
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

Вчера, 21:28
Мария Азарова

По словам ученых из США, это первое исследование, в котором физическая утомляемость у пожилых людей рассматривается как показатель более ранней смертности от всех причин.

Позавчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

Вчера, 13:04
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

Позавчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

21 января
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: