Wirtualny model serca metodami biologii, elektryki i mechaniki
Modelowanie wieloskalowe pozwoli naukowcom badać zmiany na poziomie molekularnym i układowym w celu przeprowadzania analiz i wyboru odpowiednich metod leczenia. Pomoże to klinicystom unikać strategii prób i błędów w leczeniu chorób serca oraz umożliwi systematyczne, spersonalizowane metody leczenia wspomagane symulacjami. Uczestnicy finansowanego przez UE projektu VHEART (Virtual heart models: Multi-physics approaches to computational cardiology) pracowali nad prezentacją skomplikowanych mechanizmów biologiczno-elektryczno-mechanicznych w prawidłowym funkcjonowaniu i chorobach serca. Umożliwi im to monitorowanie strukturalnych i czynnościowych zmian w obszarach martwiczych po przebytym zawale serca. Aby skonstruować jedno- lub dwudomenowe metody propagacji bodźca elektrycznego w mięśniu sercowym, naukowcy wykorzystali połączenie bezwarunkowo stabilnych algorytmów elementów skończonych. Ponadto stworzyli sprzężony model chemiczno-elektryczno-mechaniczny do przewidywania oddziaływań pól chemicznych, elektrycznych i mechanicznych w trzech skalach biologicznych podczas cyklu pracy serca. Modele mogą być użyte do przewidywania skuteczności nowej generacji leków farmaceutycznych, jak również spersonalizowanego leczenia dostosowanego do indywidualnych potrzeb. Jednocześnie umożliwiają one rzutowanie biochemii na poziomie komórkowym na obraz ogólnego funkcjonowania serca. Zastosowany do mięśnia jednowymiarowy model uogólniono do ustawień trójwymiarowych oraz włączono do niego zagadnienie czynnego stresu i obciążenia, tak że ostatecznie uzyskano metodę zunifikowaną. Naukowcy z projektu VHEART oczekują, że to uogólnione podejście może być zastosowane zarówno do mięśni gładkich i szkieletowych, jak i do mięśnia sercowego. Może to dostarczyć solidnej wiedzy na temat rozregulowania sprzężenia wzbudzenie-skurcz w różnych chorobach, takich jak zaburzenia przewodu pokarmowego i choroby neuromięśniowe. W przypadku chorób serca naukowcy przebadali martwicę tkanki, zawał oraz remodelowanie serca w wyniku wywartego na nie stresu. Objawy obejmują zgrubienie ścian komór oraz poszerzenie światła komory lewej. Pod kątem elektrofizjologicznym zbadano migotanie, czyli nieregularne bicie serca. We wszystkich przypadkach zachodziła duża zgodność między wynikami obliczeń a doniesieniami klinicznymi. Koszty chorób sercowo-naczyniowych tylko w gospodarce UE to 192 miliardów euro rocznie. Modelowanie VHEART w ramach postępowania klinicznego może znacząco poprawić wyniki leczenia poprzez wybór najodpowiedniejszej terapii.
Słowa kluczowe
Wirtualny model serca, choroby serca, modelowanie wieloskalowe, mięsień sercowy, leczenie
