По статистике, сердечно-сосудистые заболевания являются самой частой причиной смерти в мире; в 40% случаев они развиваются внезапно и вызваны аритмией.


Исследовательская группа из МФТИ и Гентского университета (Бельгия) разработала первую реалистичную модель, которая воспроизводит сложное строение сердечной ткани. С помощью неё учёные 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.


"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", – рассказывает соавтор исследования аспирантка МФТИ Нина Кудряшова.


Согласно статистике ВОЗ, сердечно-сосудистые заболевания являются самой частой причиной смерти в мире, из них около 40% случаев происходят внезапно и вызваны аритмией – нарушением нормального ритма сокращения сердца. Сердце сокращается благодаря распространению электрических волн в сердечной ткани. Они состоит из разных клеток, но именно электрические волны передают возбудимые клетки – кардиомиоциты (к слову, ранее учёные из МФТИ научились управлять ими c помощью лазера).

Кроме кардиомиоцитов в сердечной ткани есть и не передающие электрическое возбуждение клетки, например, фибробласты. Если их 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 изучить взаимосвязь между клеточным строением ткани и развитием аритмии.



Чтобы построить достоверную модель, учёные 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 (на картинке сверху) и то же самое, но на подложке из нановолокон (на картинке снизу).

Нановолокна имитируют внеклеточный матрикс, который задаёт структуру ткани в реальном сердце. Благодаря нановолокнам клетки вытягиваются в одном направлении, воссоздавая устройство сердечного мышечного волокна. Таким образом учёные 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 определённом направлении, ткань обладает так называемым свойством анизотропии. То есть электрические волны в разных направлениях распространяются по-разному. Если они распространяются одинаково во всех направлениях (как, например, на слое без нановолокон), это называется изотропией.”

Для имитации формирования сердечной ткани учёные взяли за основу математическую модель, которая широко используется в исследованиях роста тканей, и оптимизировали её с помощью собранных экспериментальных данных. Полученная модель смогла точно воспроизвести параметры форм клеток во всех четырёх случаях. С помощью электрода учёные 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. Слева — экспериментальные образцы, справа — 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 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 неё можно научиться предсказывать вероятность развития аритмии. То есть можно варьировать условия формирования ткани и смотреть, насколько вероятно развитие болезни в этой ткани", – поясняет руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ профессор Константин Агладзе.


Вместе с тем, модель находится на первой стадии разработки. В ней ещё не учтены некоторые факторы, например, миграция и деление клеток, которые могут влиять на формирование ткани. Кроме того, сердце трёхмерное, а модель двумерная, так что учёным ещё предстоит расширить её до трёхмерной. Благодаря этому появятся новые возможности для исследования сердечных аритмий, связанных со структурой сердечной ткани.

Работа российских исследователей опубликована в журнале Scientific Reports.

Кстати, ранее учёные создали приложение, которое распознаёт аритмию при помощи камеры смартфона. А спровоцировать развитие аритмии могут упражнения на выносливость.