Сердечные волнения смоделировали для лечения

Фото: unsplash.com/

Фибрилляция предсердий встречается более чем у 1% населения и относится к наиболее распространенным сердечно-сосудистым заболеваниям. Работа сердца — последовательная череда сокращений, которые вызывают волны возбуждения по всей сердечной ткани. Фибрилляция (разрастание соединительной ткани с появлением рубцовых изменений) препятствует повторному прохождению спиральной волны. Ученые МФТИ изучили новый подход к моделированию фиброзной ткани предсердий, учитывающий клеточное строение и проводимость в зонах фиброза. Такая модель может стать инструментом для прогнозного моделирования и поиска цели абляции — разрушения очага аритмии. Работа опубликована в журнале Journal of Applied Physics.

Фибрилляция предсердий — болезнь довольно коварная и часто впервые диагностируется только после перенесенного инсульта. Относительная эффективность лечения составляет 50–80%, а сам процесс довольно болезнен — ведется изоляция легочных вен с помощью катетерной абляции (прижигания током). При этом частота рецидивов остается очень высокой (40–60%). Щадящего лечения не существует, а сам приступ можно прервать только срочным вмешательством с помощью дефибриллятора.

Уже сейчас снизить риски абляции возможно с помощью исследований поврежденных тканей, но, несмотря на обширную базу результатов компьютерных и животных моделей тканей сердца, данные о самом процессе до сих пор ограничены. Модель ученых молодежной лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ воссоздает реалистичную текстуру тканей и показывает наличие проводящих путей. В данной работе ученые провели исследование нового подхода к моделированию фиброзной ткани, учитывающего клеточное строение.

«Основная проблема в определении пути лечения — сама текстура фиброза — количество очагов и их расположение у каждого пациента индивидуальны. Это как шрамы на теле, но, в отличие от кожи, сердечная ткань не способна к регенерации, и повреждения в течение жизни только накапливаются. Соответственно, каждому лечению нужен свой индивидуальный подход — необходима четкая картина повреждений, чтобы провести операцию на предсердии и снизить вероятность потенциальных аритмий. Наша разработка позволяет создать виртуальную модель с помощью сканирования, что дает возможность изучить механизмы, которые приводят к фибрилляции каждого пациента и создать наглядную базу для принятия возможных решений», — рассказал об исследовании Михаил Слотвицкий, сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.

Исследование выявило зависимость между формой потенциала действия клеток, их расположением в ткани и направлением распространения волны. Волновой фронт, полученный в модели, создает динамическую неоднородность ткани, что влияет на миграцию и закрепление спиральных волн и объясняет образование повреждений в ткани сердца. Модель описывает отдельно каждую клетку сердца и их соединение, создавая настоящую виртуальную ткань.

Условия возникновения фиброза исследовались на культурах клеток и компьютерных моделях. Считается, что основным фактором возникновения и поддержания реентри-активности является наличие в ткани непроводящих участков — до 70% фиброзных тканей, однако на практике количество фиброзной ткани в дебюте значительно меньше.

«Для изучения хода болезни врачи могут изымать у пациента ушко предсердий, которое не оказывает влияния на их работу, но позволяет воссоздать общую картину. В своих исследованиях мы использовали подобный операционный материал. Благодаря им наша модель научилась воспроизводить сами клетки и при помощи искусственного интеллекта строить сетку, которая воспроизводит их форму. Теперь с помощью MРТ мы сможем получить расположение и количество областей, где кардиомиоциты (рабочие клетки сердца) замещены соединительной тканью, и дальше на виртуальной копии проводить функциональные эксперименты — запускать волну возбуждения и наблюдать, как она распространяется и какие очаги аритмии вызывает. К сожалению, подобного рода болезни можно лечить только путем выжигания, это уничтожает проводящий путь возникновения аритмии, но наращивает пораженные ткани. При операции необходимо минимизировать эти потери, для чего и предназначена наша модель», — прокомментировала исследование Валерия Цвелая, заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.

Работа выполнена при поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Разработка модели ведется также при поддержке нового биотехнологического центра ГБОУ ВО АГНИ, ПИШ ИТМО и компании ПАО «ТАТНЕФТЬ». Лаборатория отдельно благодарит Константина Агладзе, создателя лаборатории и ее научного наставника, который начинал это исследование и теперь успешно вывел его на новый уровень.