Virtuelle Herzmodell - eine Mischung aus Biologie, Elektronik und Mechanik
Die Multiskalenmodellierung würde Forschern ermöglichen, Veränderungen auf der molekularen bis zur Systemebene zu untersuchen, um die Analyse und Auswahl von geeigneten Behandlungen zu unterstützen. Dies würde Klinikern helfen, eine Trial-and-Error-Strategie für Herzkrankheiten zu vermeiden, und einen systematischen, personalisierten simulationsgestützten Behandlungsansatz erleichtern. Wissenschaftler des Projekts VHEART (Virtual heart models: Multi-physics approaches to computational cardiology) arbeiteten an der Darstellung der komplexen bio-elektro-mechanischen Mechanismen bei Herzfunktion und -krankheit. Auf diese Weise könnten sie die strukturellen und funktionellen Veränderungen im toten Gewebebereich nach Herzinsuffizienz beobachten. Die Forscher verwendeten eine Mischung aus unbedingt stabilen Finite-Elemente-Algorithmen, um einen mono- und bi-Domänen Ansatz für die Ausbreitung des elektrischen Stimulus im Herzmuskel zu konstruieren. Darüber hinaus entwickelten sie ein gekoppeltes chemo-elektro-mechanisches Modell, um die Interaktion von chemischen, elektrischen und mechanischen Feldern für drei biologische Skalen während eines Herzzyklus zu prognostizieren. Die Modelle können verwendet werden, um die Wirksamkeit von pharmazeutischen Mitteln der neuen Generation sowie einer maßgeschneiderten persönlichen Behandlung vorherzusagen. Auf einer anderen Ebene kann die Biochemie auf Zellebene projiziert werden, um ein Bild der gesamten Herzfunktion zu erstellen. Das eindimensionale, auf Muskeln angewendete Modell wurde auf die 3D-Einstellung verallgemeinert und vereint die aktiven Stress- und Dehnungs-Ansätze in einem einheitlichen Rahmen. Die Forscher von VHEART gehen davon aus, dass dieser verallgemeinerte Ansatz auch auf glatten Muskel, Skelettmuskel und Herzmuskel angewendet werden kann. Dies verspricht wertvolle Einblicke in die dysregulierte Kopplung von Erregung und Kontraktion bei verschiedenen Erkrankungen, etwa bei Magen-Darm-Störungen und neuromuskulären Erkrankungen. Insbesondere für Herzerkrankungen haben die Forscher Gewebetod, Infarkt sowie kardiale Remodellierung als Folge einer Belastung des Herzens untersucht. Diese Bedingungen umfassen eine Erhöhung der Ventrikel-Wanddicke und Dilatation der linken Ventrikel-Kammer. Auf elektrophysiologischer Seite wurden Flimmern oder Herzrhythmusstörungen untersucht. In allen Fällen gab es eine gute Ähnlichkeit zwischen den Computerergebnisse und den klinischen Berichten. Herz-Kreislauf-Krankheit kosten allein die EU-Wirtschaft bereits 192 Mrd. EUR pro Jahr. Als Teil des klinischen Verfahrens könnte die VHEART-Modellierung durch die Auswahl der am besten geeigneten Behandlungsmethode die therapeutischen Ergebnisse verbessern.
Schlüsselbegriffe
virtuelle Herzmodell, Herzerkrankungen, Multiskalen-Modellierung, Herzmuskel, Behandlungsmethode
