Статьи

Учёные из Амстердама и Санкт-Петербурга представили концепцию «Виртуальной артерии». В новом исследовании они показали, что эта мультимасштабная компьютерная модель объединит в себе несколько подмоделей, описывающих участки сердечно-сосудистой системы в разном приближении.

Разработчики считают, что детальная имитация человеческой артерии позволит глубже изучить заболевания сосудов и создаст альтернативу испытаниям лекарств на животных. Результаты исследования опубликованы в журнале Philosophical Transactions A.

Разработка «Виртуальной артерии» ведётся на стыке наук: биологии, химии и физиологии. Это сочетание даёт модели широкие возможности, но и усложняет процесс её создания.

Сотрудники Амстердамского Университета в Нидерландах и Университета ИТМО в Санкт-Петербурге разработали проект такой компьютерной модели для имитации работы кровеносных сосудов. Чтобы создать виртуальную артерию, учёные предложили объединить разноуровневые модели сердечно-сосудистой системы и показали, как те будут взаимодействовать друг с другом.

Большинство необходимых подмоделей уже разработаны, а некоторые из них проходят доклинические испытания. Однако многие компьютерные модели все ещё недостаточно согласуются с экспериментальными данными, говорят исследователи. Именно эту основную проблему, которая пока не позволяет объединить подмодели в полноценную виртуальную артерию, разработчики сейчас решают.

Одно из возможных применений «Виртуальной артерии» – это тестирование новых лекарств и хирургических методик. «Медицинская индустрия, да и общество в целом заинтересованы в снижении количества испытаний с участием животных, – поясняет руководитель проекта Альфонс Хукстра (Alfons Hoekstra), профессор Амстердамского Университета и Университета ИТМО. –

Целью нашей работы является, в том числе, создание инструмента, который станет альтернативой этим тестам и позволит разрабатывать препараты без вреда для живых существ, и, возможно, даже уменьшит роль испытаний на людях».

Частью будущей виртуальной артерии является модель нежелательного роста ткани внутрь сосуда после установки в нём стента – распирающего каркаса. Врачи проводят такую операцию, если на каком-то участке у человека значительно сузилась одна, а чаще – несколько артерий, поскольку сужение сосудов, или стеноз, грозит серьёзными осложнениями вплоть до инфаркта или инсульта.

При этом установка стента не всегда проходит успешно. «Наша модель поможет понять, почему в некоторых случаях ткани слишком интенсивно прорастают сквозь стент и сосуд повторно сужается, то есть происходит рестеноз, – поясняет Павел Зун, ведущий автор статьи, аспирант кафедры высокопроизводительных вычислений Университета ИТМО.

– Воспроизводя этот процесс, мы научились моделировать клеточный рост артериальной стенки, физические взаимодействия, возникающие из-за того, что стент растягивает сосуд, а также то, как лекарственные вещества со стента проникают вглубь тканей. Всё это, безусловно, пригодится при создании мультимасштабной модели виртуальной артерии».

Полноценная виртуальная артерия, по мнению учёных, позволит изучать более широкий спектр сердечно-сосудистых заболеваний, совместив в себе несколько разноуровневых моделей. На первом уровне разработчики воспроизводят кровоток по всему телу. Эта модель не слишком подробная, одномерная.

Углубляясь, они переходят к трёхмерному участку кровеносного сосуда. На самом низком уровне рассматриваются взаимодействия между клетками внутри артериальной стенки. Так шаг за шагом учёные подходят к более точному воспроизведению сложных природных процессов.