Исследовательская группа из Московского физико-технического института и Гентского университета 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, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе МФТИ.
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. 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».
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.
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 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.
