Созданная в МФТИ виртуальная модель воспроизводит ткань желудочка сердца с высокой точностью и позволяет предсказать, как фиброзное повреждение приводит к нарушениям сердечного ритма. Это дает возможность анализировать проводимость сердца без хирургического вмешательства, а также подбирать индивидуальное лечение для каждого конкретного пациента. Результаты исследования опубликованы в журнале Chaos.
Фиброз сердечной ткани – процесс разрастания соединительной ткани. Это чем-то напоминает шрам, но в отличие от кожных покровов, сердечная ткань не восстанавливается и только накапливает повреждения. Со временем эластичность ткани снижается, нарушается проводимость электрических импульсов, что приводит к аритмии и сердечной недостаточности.
Чтобы оценить распределение фиброза и нарушение проводимости сердечной ткани, сегодня используются методы, которые дают размытую картину или требуют серьезного вмешательства в организм. Возникает риск осложнений: кровотечений, инфекций и повреждений тканей.
В современной медицине развивается новое альтернативное направление — точная кардиология, где для прогнозирования и лечения аритмий используют цифровой двойник сердца. Это не требует дорогостоящего оборудования, позволяет безопасно изучать процессы на уровне отдельных клеток.
Учёные лаборатории экспериментальной и клеточной медицины ИББ МФТИ создали модель пациент-специфичной сердечной ткани, пораженной фиброзом. Им удалось оптимизировать параметры модели таким образом, чтобы с высокой точностью картографировать текстуру фиброза и прогнозировать риск возникновения аритмии. Определены важные пороги электрической проводимости в фиброзной ткани, которые оказались выше, чем ожидалось.
Чтобы оценить предсказательную способность модели, учёные воспроизвели в лаборатории сердечную ткань с диффузным фиброзом. Для этого использовали кардиомиоциты, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. С помощью оптического картирования учёные проанализировали распространение электрических сигналов по сердечной ткани и провели покадровое сравнение экспериментальных данных. Результаты показали, что прогнозы виртуальных моделей хорошо совпадают с реальными клиническими данными.
Рисунок. Конфокальное изображение дифференцированных в кардиомиоциты клеток пациента
«Мы пришли к выводу, что модель, использующая морфологические характеристики сердечных клеток, может точно предсказать аритмии в фиброзной сердечной ткани пациентов. Это поможет в прогнозировании ситуации, связанной с прогрессированием сердечно-сосудистых заболеваний, и в их оперативном лечении», — рассказал Вадим Наумов, инженер лаборатории экспериментальной и клеточной медицины.
Учёные уже работают над протоколами операций совместно с кардиологами. Эта работа не только расширяет возможности моделирования в кардиологии, но и демонстрирует перспективность стохастических математических моделей для персонализированной медицины.
