Как и зачем строить компьютерные модели для медицины: аспирант Университета ИТМО Павел Зун — о работе в Шеффилде и совместных проектах

Может ли компьютерное моделирование помочь в решении проблем людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями? Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Нидерландов и Великобритании на протяжении последних нескольких лет ведут исследования, цель которых — сократить риск осложнений после установки пациентам стента — специального распирающего каркаса, который помещается в коронарные сосуды и призван восстановить кровоснабжение сердца. Последний месяц один из авторов проекта, аспирант кафедры высокопроизводительных вычислений Университета ИТМО Павел Зун провел в Университете Шеффилда, где продолжал работу по построению модели роста ткани внутри сосуда после установки в нем стента и выстраивал совместную работу с учеными-биологами. О деталях совместной работы и о том, почему сегодня построение компьютерных моделей для медицины является одной из самых перспективных областей, он рассказал ITMO.NEWS.

Павел Зун

Чтобы полностью обеспечить ткани и органы всеми необходимыми веществами и кислородом, нужна не только разветвленная сеть артерий, которые эту доставку к сердцу и обеспечивают, но и ее правильная работа. Коронарные артерии снабжают ткани самого сердца. Патологические изменения в этих артериях ведут к ухудшению работы системы кровоснабжения сердца. Следствием таких изменений и нарушений становятся различные сердечно-сосудистые заболевания, в первую очередь ишемия и острый коронарный синдром. Эти заболевания и сопутствующие повреждения сердечной мышцы — миокарда — обычно бывают вызваны патологическим сужением коронарных сосудов.

Долгое время для лечения суженных участков коронарных сосудов было применимо только хирургическое вмешательство со вскрытием грудной клетки. Однако в последние десятилетия появились и начали широко использоваться менее травматичные методы, позволяющие получить доступ к суженному сосуду, введя катетер в артерию. Одним из них является коронарное стентирование сосудов.

Стентирование коронарных артерий. Источник: youtube.com
Стентирование коронарных артерий. Источник: youtube.com

Стентирование коронарных артерий является одной из наиболее безопасных и эффективных процедур восстановления нормального просвета артерий, имеющих атеросклеротические изменения. Стент представляет собой сетчатый цилиндрический металлический каркас, разворачиваемый в закупоренном участке артерии и удерживающий ее от повторного сужения. После установки стент естественным образом покрывается тканью внутренней выстилки сосуда.

Однако установка стента не всегда проходит успешно, в некоторых случаях развивается рестеноз — осложнение, которое характеризуется чрезмерным разрастанием ткани и повторным сужением просвета артерии. На сегодняшний день причины рестеноза изучаются, ведутся исследования по оптимизации конфигурации стента и процедуры лечения для снижения частоты осложнений.

Как в этом может помочь компьютерное моделирование?

Одним из способов в определении причин развития рестеноза является проведение опытов с использованием клеточных культур и модельных животных. Подобные исследования, например, ведутся в Университете Шеффилда. Однако в понимании причин развития рестеноза, а также впоследствии разработке более эффективного дизайна стента, который позволит снизить процент осложнений, может помочь и компьютерное моделирование.

Университет Шеффилда. Источник: inovaeducation.com
Университет Шеффилда. Источник: inovaeducation.com

Соответствующими исследованиями занимаются специалисты Института наукоемких компьютерных технологий Университета ИТМО, которые совместно с коллегами из Амстердамского университета в Нидерландах и Университета Шеффилда в Великобритании, последние несколько лет работают над построением модели нежелательного роста ткани внутри сосуда после установки в нем стента — распирающего каркаса.

Модель может помочь понять, почему в некоторых случаях ткани слишком интенсивно прорастают сквозь стент и сосуд повторно сужается, то есть происходит рестеноз, поясняет Павел Зун, аспирант кафедры высокопроизводительных вычислений Университета ИТМО. Воспроизводя этот процесс, ученые 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.

В рамках проекта последний месяц Павел Зун провел в Университете Шеффилда, где работал над дальнейшим улучшением модели и валидацией результатов, полученных в ходе компьютерного моделирования.

«Процесс разработки модели выглядит следующим образом: сначала ученые ставят эксперименты. Например, они берут клетки и высаживают их в чашки Петри, а затем смотрят, как эти клетки ведут себя под воздействием течений, как они мигрируют и так далее. На основе данных, которые получены из большого количества экспериментов, строится гипотеза о том, какие механизмы влияют на поведение клеток. А, в свою очередь, на основе этой гипотезы строится модель: мы устанавливаем определенные правила поведения клеток в модели в зависимости от того, что мы хотим проверить. После этого мы проверяем, насколько поведение клеток в модели с определенным набором правил соответствует тому, что происходит в реальности, — рассказывает Павел Зун. — Таким образом, моя работа в Шеффилде заключалась в поиске экспериментальных данных, а также в выстраивании сотрудничества с учеными-биологами. Ведь мы можем построить модель, а они могут поставить соответствующие эксперименты in vitro, на клеточных культурах, или на животных, in vivo. В дальнейшем эти эксперименты могут быть использованы для валидации и подтверждения наших моделей».

Одним из основных факторов, вызывающих остановку роста ткани в сосуде, является восстановление клеток внутренней выстилки сосуда — эндотелия. Таким образом, чтобы описывать процессы, происходящие в сосуде, необходимо знать, в том числе как происходит миграция клеток эндотелия после установки стента и, соответственно, проходит процесс заживления. Это можно изучить, высадив эти клетки в экспериментальную установку, имитирующую стентированный участок сосуда, и поняв, как они будут перемещаться там под действием течений, добавляет он. Изучая эти процессы, можно получить траектории движения клеток, что и реализуют исследователи при построении компьютерных моделей. И, как отмечает Павел Зун, за последнее время ученым удалось добиться достаточно неплохой точности модели.

Компьютерная модель
Компьютерная модель

«Например, с помощью моделирования мы видим, что между помещенными на поверхность установки  ребрами, имитирующими элементы стента, возникают завихрения текущей сквозь установку жидкости. Это влияет на траектории миграции клеток, и мы можем высказать предположение, почему это происходит, — объясняет исследователь. — Соответственно, на основе моделирования мы можем предложить новый дизайн эксперимента, чтобы проверить это предположение. Если это предположение будет корректным, это повлияет на дизайн стентов, что в будущем позволит уменьшить риск осложнений после операций».

Риск осложнений после установки первых стентов, которые начали применяться в 90-х годах прошлого века, достигал 20%. Современные устройства помогли свести этот показатель до пяти случаев из ста. Однако, учитывая, что стентирование коронарных сосудов является одной из самых распространенных операций в современной медицинской практике, дальнейшее улучшение дизайна стентов и сокращение риска осложнений и сегодня является актуальной задачей для исследователей, говорит Павел Зун.

Стентирование коронарных артерий. Источник: shutterstock.com
Стентирование коронарных артерий. Источник: shutterstock.com

Сегодня ученые продолжают работать над улучшением модели. В ближайшей перспективе исследователи собираются проверить еще одну гипотезу, согласно которой на ускорение заживления артерии после стентирования может повлиять покрытие стента специальным веществом, подавляющим Rho-ассоциированную протеинкиназу в клетках (ROCK), отвечающую за реакцию клеток на локальное направление течения крови. Этот механизм ученые также реализуют в модели и по итогам работы проверят, насколько она будет соответствовать экспериментальным исследованиям.

Перспективы

Построение модели роста ткани внутри сосуда после установки в нем стента является частью работы, которую в последние несколько лет проводят ученые из Амстердама и Петербурга. Ранее в исследовании, опубликованном в журнале Philosophical Transactions A, они представили концепцию «виртуальной артерии», показав, 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.

Полноценная виртуальная артерия, по мнению ученых, позволит изучать более широкий спектр сердечно-сосудистых заболеваний, совместив в себе несколько разноуровневых моделей. На первом уровне разработчики воспроизводят кровоток по всему телу. Углубляясь, они переходят к трехмерному участку кровеносного сосуда. На самом низком уровне рассматриваются взаимодействия между клетками внутри артериальной стенки. Таким образом, шаг за шагом ученые подходят к более точному воспроизведению сложных природных процессов.

Сейчас ученые Университета ИТМО продолжают сотрудничество с научной группой Амстердамского университета, а также со специалистами Университета Шеффилда. Кроме того, недавно было налажено сотрудничество с исследователями Политехнического университета Милана, которые также занимаются моделированием течений в стентированных сосудах, рассказывает Павел Зун.

Стентирование коронарных артерий. Источник: shutterstock.com
Стентирование коронарных артерий. Источник: shutterstock.com

По его словам, сегодня построение компьютерных моделей для медицины является одной из интересных и перспективных задач. Именно в этой области в последнее время появляется большое количество новых проектов, в реализации которых могут применить свои силы перспективные магистранты и аспиранты.

«Заниматься моделированием именно в области биохимии, медицины очень интересно, потому что модели в данной области развиты пока не настолько, как, например, в физике или в неорганической химии. Это очень сложные системы, поэтому здесь пока существует непаханное поле для исследований. Да, уже в 90-е были попытки моделирования систем в этой области, но тогда, разумеется, мощность компьютеров не позволяла делать сложные модели, — говорит Павел Зун. — Пока самое главное, чего не хватает в этой области, — это люди. Сейчас такими исследованиями занимаются немного магистрантов и аспирантов. Между тем, сегодня существует очень много проектов по этой тематике, поэтому спрос на квалифицированных специалистов очень большой».

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба