Ученые 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. Исследование опубликовано в журнале Philosophical Transactions A.

Участок сосуда с установленным стентом

Участок сосуда с установленным стентом © Университет ИТМО

Разработка «Виртуальной Артерии» ведется на стыке наук: биологии, химии и физиологии. Это сочетание дает модели широкие возможности, но и усложняет процесс ее создания. Сотрудники Амстердамского Университета в Нидерландах и Университета ИТМО в Санкт-Петербурге, Россия, разработали проект такой компьютерной модели для имитации работы кровеносных сосудов. Чтобы создать виртуальную артерию, ученые предложили объединить разноуровневые модели сердечно-сосудистой системы и показали, как те будут взаимодействовать друг с другом.

Концепция Виртульной Артерии. На изображен...

Концепция Виртульной Артерии. На изображении показано, как модели вкладываются друг в друга © Университет ИТМО

В статье ученые отметили, что большинство необходимых подмоделей уже разработаны, а некоторые из них уже проходят доклинические испытания. Однако многие компьютерные модели все еще 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 нем 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 серьезными осложнениями вплоть до инфаркта или инсульта.

Прорастание стенки артерии сквозь стент. М...

Прорастание стенки артерии сквозь стент. Модель и микрофотография © Университет ИТМО

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. Все это безусловно пригодится при создании мультимасштабной модели виртуальной артерии».

Участок сосуда в приближении

Участок сосуда в приближении © Университет ИТМО

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. Эта модель не слишком подробная, одномерная. Углубляясь, они переходят к трехмерному участку кровеносного сосуда. На самом низком уровне рассматриваются взаимодействия между клетками внутри артериальной стенки. Так шаг за шагом ученые подходят к более точному воспроизведению сложных природных процессов.

Статья:

Alfons G. Hoekstra, Saad Alowayyed, Eric Lorenz, Natalia Melnikova, Lampros Mountrakis, BrittvanRooij, Andrew Svitenkov, Gábor Závodszky and Pavel Zun (2016), Towards the virtual artery: a multiscale model for vascular physiology at the physics–chemistry–biology interface, Philosophical Transactions A,

http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/374/2080/20160146

Пресс-служба Университета ИТМО