Virtuali širdis

70 metų pacientei Oklando ligoninėje Naujojoje Zelandijoje buvo įtartinai žemas kraujospūdis. Gydytojai buvo priblokšti. Tačiau jie turėjo neįprastą eksperimentinį įrankį: unikalią kompiuterinę programą, analizuojančią magnetinio rezonanso tomografijos (MRT) nuskaitymą, matuojantį paciento širdies judesį ir lyginantį jį su sveikos virtualios širdies, pagamintos ne iš kraujo ir audinių, judėjimu. bet iš matematinių lygčių. Atlikus analizę, klinikos ekspertams buvo įteiktas rūkymo šautuvas: dalis širdies susisuko taip, kad dažnai būtų siejamas su iš dalies užsikimšusiu vožtuvu, o negydomas pacientas tikriausiai užmuštų per trejus metus.

Norėdami diagnozuoti šį sutrikimą, chirurgai paprastai turi atplėšti paciento krūtinę. Tačiau programinė įranga tiksliai nustatė problemą maždaug per 15 minučių. Tai padeda nustatyti, kur gali sugesti širdies sienelė, sako Peter Hunter, Oklando universiteto bioinžinierius, kurio komanda sukūrė programinę įrangą bendradarbiaudama su Vokietijos įmone Siemens.

Ši istorija buvo mūsų 2004 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

MRT analizės programa yra tik viena iš sparčiai augančių medicinos programų, atsirandančių dėl ambicingų pasaulinių pastangų, žinomų kaip „kardiomos“ projektas. Šios kelių laboratorijų pastangos sukurti virtualią širdį: kompiuterinį modelį, kuris tiksliai vaizduoja viską nuo vienos širdies ląstelės iki viso organo, nuo milijonų ląstelių susipynusios elektrocheminės veiklos iki subtiliai sinchronizuoto kraujo siurbimo. Modelis netgi turėtų kentėti nuo užsikimšusių arterijų, susilpnėjusių raumenų ir nepastovaus elektros ritmo, būdingo širdies ligoms.

Medicinos mokslininkai dešimtmečius dirbo su kompiuteriniais širdies modeliais. Tačiau dėl eksponentinio kompiuterio galios šuolių, sparčios pažangos aprašant tikslias ir sudėtingas širdies veikimo detales ir matematinių šių detalių atvaizdų formavimo, vis labiau gyvesni širdies modeliai pradeda duoti realių sveikatos dividendų. Įžvalgos, gautos iš virtualios širdies projekto, leidžia kurti naujus diagnostikos, chirurgijos ir vaistų atradimo metodus, kurie gali pagerinti ar net išgelbėti daugiau nei 13 milijonų žmonių vien tik Jungtinėse Valstijose, kenčiančių nuo širdies ligų. priepuoliai, kuriuos sukelia užsikimšusios vainikinės arterijos, iki galimai mirtinų nenormalių širdies plakimų, kuriuos sukelia retos genetinės mutacijos. Dabar galime puikiai dirbti kompiuteriu modeliuodami, kas atsitinka su širdies ląstelėmis sergant širdies nepakankamumu, ir numatyti, kaip širdies susitraukimas reaguos į vaistą ar kitą dirgiklį, sako Andrew McCullochas iš Kalifornijos universiteto San Diege. šios srities mokslininkas. Tai leidžia mums atsakyti į daugybę eksperimentinių ir klinikinių klausimų.

Virtuali širdis yra nebaigtas darbas, kuris dar nemėgdžioja daugelio sudėtingų ir vis dar paslaptingų genetinių, ląstelių ir mechaninių procesų, vykstančių tikrose širdyse. Nepaisant to, per ateinančius kelerius metus tobulėjant projekto kompiuteriniams modeliams, jie gali pakeisti širdies ligų diagnostiką ir gydymą, naujai atskleisdami sudėtingą organo veiklą ir pasitarnaudami kaip įrankiai greitai ir pigiai išbandyti vaistus, diagnostikos prietaisus, ir chirurginiai gydymo būdai, kurie vis dar yra pernelyg rizikingi išbandyti žmonėms.

Širdies plakime

Nors virtualios širdies projektas yra pasaulinio masto ir neturi oficialios būstinės, plačiai sutariama, kad jo fronto linija driekiasi už senovinių, didingų Oksfordo universiteto koledžų, niūriame, šiuolaikiškame pastate, kuris atrodo netinkamas tarp savo kaimynų. . Čia, keturių aukštų sparne, skirtame širdies mokslui, yra toks pat nebūdingas savo aplinkai tyrimų centras. Vietoj nerūdijančio plieno stalų, mikroskopų ir elementų kolbų šiame kukliame biurų komplekte gausu kompiuterių darbo vietų, kurių monitoriai užpildyti programinės įrangos kodų eilutėmis. Tai Deniso Noble'o, žmogaus, kuris beveik vienas prieš beveik 45 metus sukūrė širdies modeliavimo sritį, sritis. Šiomis dienomis Noble'ą, Oksfordo širdies elektrofiziologijos grupės vadovą, nesunku pastebėti tarp magistrantūros studentų ir podoktorių: jis yra liesas 67 metų, jis yra labiausiai apsirengęs ir, atrodo, turi tvirtą energijos pranašumą, kai veržiasi tarp komandos narių, kurių darbas. svyruoja nuo sudėtingo kompiuterio programavimo iki pagrindinio audinių išpjaustymo. Širdies modeliavimas, pasak Noble'o, būtinai sujungia tyrėjų, kurie kitaip niekada nesusidurtų, talentus. Tai nauja biologijos mokslo forma, sako jis. Labai svarbu bendradarbiauti.

Tam tikra prasme kardiomos projektas prasidėjo 1960 m., kai Noble'as pateikė lygčių rinkinį, apibūdinantį, kaip širdies ląstelių elektrinį aktyvumą daugiausia kontroliuoja kalio jonų srautas per jų membranas, o tai sukelia aktyvumo bangas, kurios plinta per kaimynines ląsteles ir galiausiai sukuria koordinuotą širdies plakimą. Nors idėja aprašyti fiziologinį aktyvumą matematinėmis lygtimis tuo metu atrodė novatoriška, originalus Noble modelis atrodo beveik nuostabus, palyginti su modeliais, kuriuos jo laboratorija dirba su dabar siaubingomis formulėmis su 23 kintamaisiais, atspindinčiais 12 skirtingų ląstelių jonų srautų tipų. Kompiuteryje veikiantys modeliai atlieka širdies ląstelės veiklos modeliavimą milisekundėmis po milisekundžių.

Tačiau modeliuodami vieną širdies ląstelę pasieksite tik tiek. Norint padėti pacientams, kuriems diagnozuotos ligos – nuo ​​aukšto kraujospūdžio iki stazinio širdies nepakankamumo, reikalingas viso organo modelis. Įeikite Peter Hunter, buvęs Noble's kolega Oksforde. Ten, kur Noble dirba su atskiromis ląstelėmis, Hunteris ėmėsi užduoties modeliuoti didelės apimties širdies struktūrą ir mechaniką, tai yra, paties širdies raumens plakimą. Kai Noble'as lankėsi Oklande 1991 m., jis pastebėjo, kad Hunterio grupė atlieka itin tikslius šunų širdžių matavimus. Šie žmonės kaip senamadiški anatomai skusdavo išsaugotą širdį po milimetro dalį, prisimena Noble. Hunterio tikslas buvo sukurti modelį, kuris sumažintų atotrūkį tarp širdies mokslo ląstelių lygiu ir viso organo struktūros bei funkcijos. Kitaip tariant, jis norėjo tiksliai nustatyti, kaip visi tie jonų srautai širdies ląstelėse susijungė, kad sukurtų širdies plakimą, ir ypač tai, kur sergančiose širdyse viskas vyksta blogai.

Šiandien Hunterio ir Noble laboratorijų pastangos buvo sujungtos į visos širdies modelius, kurių elgesys atspindi nepriklausomai apskaičiuotą iki 12 milijonų virtualių širdies ląstelių veiklą. Tikra širdis turi arčiau milijardo ląstelių, tačiau net ir šiandieniniai greičiausi superkompiuteriai negali atsekti tiek ląstelių per pagrįstą laiką. Kai kurie Oklando modeliai, vaizduojantys žmogaus, šuns, kiaulės, jūrų kiaulytės ir pelių širdis, yra tokie sudėtingi, kad superkompiuteriui reikia aštuonių valandų ar daugiau laiko, kad suveiktų per vieną širdies plakimą. Aiškina Hanteris, modeliai parodo, kaip elektrinis aktyvumas atsiranda ląstelių lygiu, kaip aktyvacijos banga plinta į kitas ląsteles, kaip elektrinė banga paverčiama mechaniniu širdies sienelės susitraukimu, kaip susitraukiančios sienelės priverčia kraują tekėti per širdį, ir kaip energija pasiskirsto visoje sistemoje.

Nepaisant šių modelių sudėtingumo, vis tiek trūko elemento: genų. Pasirodo, kad genai vaidina didžiulį vaidmenį sergant širdies ligomis; vieno nelaimingo geno paveldėjimas gali padidinti ankstyvos mirties tikimybę nuo toli iki beveik tikrumo. Net genai, kurie paprastai nesukelia širdies problemų, gali tai padaryti, kai jie yra įjungti arba išjungti arba pažeisti aplinkos poveikio, pavyzdžiui, cigarečių dūmų ar streso. Kad viskas būtų dar sudėtingesnė, pati širdies liga gali paveikti širdies genus tokiu būdu, kuris pagreitina sutrikimą arba sukelia naujų komplikacijų. Norėdami tiksliai modeliuoti širdies ligą, mokslininkai turi atsižvelgti į šiuos genetinius veiksnius.

Dirbdamas su UC San Diego kolegomis, McCulloch naudoja genetiškai modifikuotas peles, kad nustatytų genus, turinčius įtakos širdies ligoms. Tada jis naudoja šią informaciją virtualiosios širdies modeliams modifikuoti. McCullocho laboratorijoje naudojamos pelės su vieno geno pakitimais, dėl kurių jis yra nuolat aktyvus arba nuolat neaktyvus. Tada šios pakitusios pelės tiriamos dėl širdies veiklos skirtumų ir jautrumo širdies ligoms; bet kokie tokie skirtumai paprastai gali būti priskirti pakitusiam genui. Jei pelė, kurios tam tikras genas buvo nuolat aktyvus, suserga širdies liga, pavyzdžiui, neįprastai ankstyvame amžiuje, tada kompiuterinį modelį galima pakoreguoti taip, kad įjungus tą geną virtualioje širdyje, suaktyvėtų ligos procesai. Tokios modifikacijos gali būti labai svarbios, kad modeliai būtų realistiškesni. Jei virtuali širdis naudojama tiriant vaistą, skirtą užkirsti kelią širdies nepakankamumui po širdies priepuolio, pavyzdžiui, ji turi didesnę galimybę numatyti, kaip gerai veiks vaistas, jei jis apims genetinius procesus, kuriuos gali sukelti šis vaistas. įtakos.

Sukurta iš atskirų ląstelių ir genų veikimo, virtuali širdis pateikia ryškų gyvybiškai svarbaus organo vaizdą. Bet ar tai realu? Modeliai iš esmės numato, kaip elgsis tikroji širdis, ir mokslininkams reikia būdų, kaip užtikrinti šių prognozių tikslumą. Chrisas Johnsonas, kompiuterių mokslininkas, vadovaujantis Mokslo ir skaičiavimo vaizdų institutui Jutos universitete Solt Leik Sityje, sukūrė vieną sprendimą: būdą įvertinti modelius pagal gyvų savanorių duomenis.

Pagrindinis širdies elektrinio aktyvumo matavimo įrankis, elektrokardiograma, imanti rodmenis iš 12 elektros laidų, duoda tik gana grubią analizę. Tačiau Jutos Širdies ir kraujagyslių tyrimų ir mokymo institute sukurta striukė, kurioje dirba 192 laidai, kartu su standartiniu MRT skenavimu suteikia Johnsonui daug išsamesnį vaizdą. Norėdamas paversti švarko matavimus ir MRT duomenis į išsamų širdies elektrinio aktyvumo vaizdą, Johnsonas pirmiausia atsižvelgia į tai, kaip kaulai, kraujas, riebalai ir raumenys iškreipia signalą, keliaujantį iš konkretaus širdies taško į tam tikrą širdies tašką. oda. Tada jis gali bet kuriuo metu nustatyti elektrinį širdies žemėlapį. Mes imame įtampą iš išorės ir nustatome, kokios jos būtų širdies paviršiuje, sako jis. Tai leidžia modeliuotojams nustatyti, ar širdies elektrinio aktyvumo milisekundės po milisekundės prognozės yra tikslios, ir patikslinti savo skaičiavimus, kad jie priartėtų prie tikrovės.

Johnson modeliai ir elektrodų apvalkalas taip pat naudojami eksperimentiškai, siekiant padėti kardiologams pastebėti širdies ligas. Nors širdies elektrokardiogramos su galimai mirtinomis arterijų užsikimšimu dažnai atrodo visiškai normalios visoms, išskyrus labiausiai patyrusias akis, striukės pagrindu sukurta sistema sukuria beveik MRT vaizdus, ​​kurie gali atskleisti užsikimšimus ir kitus defektus taip aiškiai, kad net pasaulietis gali juos pastebėti. . Johnsono komanda taip pat sukūrė programinę įrangą, kuri leidžia žiūrėti simuliacijas trimačiais naudojant specialius stereoskopinius akinius. Patobulintas vaizdas, pavyzdžiui, leistų gydytojams pradėti gydymą vaistais arba atlikti arterijų valymo angioplastiką anksčiau nei būtų galima kitaip, o tai galėtų padėti išvengti širdies priepuolių arba išvengti labiau invazinės vainikinių arterijų šuntavimo operacijos.

Virtualus tu

Virtuali širdis daugeliu atžvilgių atgijo per pastaruosius keliolika metų. Tačiau iki to dar reikia nueiti ilgą kelią. Mes galime modeliuoti širdies plakimą per 10 minučių, sako McCulloch. Tačiau mes dar negalime modeliuoti natūralaus ligos progresavimo – kaip širdies ląstelė palaipsniui pereina nuo normalios iki sužalotos iki sugedusios. Viena kliūtis: nors šimtai tyrėjų visame pasaulyje išsamiai iššifruoja širdies veiklą, dauguma biologų nebuvo išmokyti rinkti ir pateikti duomenis tiksliai, kiekybiškai, kad būtų galima panaudoti matematines formules, naudojamas kuriant kompiuterinius modelius. Kai kalbate su jais apie jų rezultatų apibūdinimą kaip formules, kai kurie iš jų labai nukrypsta, sako Paulas Herrlingas, farmacijos gamintojos „Novartis“ įmonių tyrimų vadovas.

Tačiau kardiomas jau prisideda prie medicinos, o vienas didžiausių jo gali būti įrankis, padedantis mokslininkams atrasti geresnius širdies vaistus. Pavyzdžiui, Novartis jau naudoja kardiomos modelius, kad sukurtų vaistus, programuodamas pokyčius, kuriuos, kaip buvo pastebėta, junginys sukelia širdies ląstelėje, o tada leisdamas modeliui numatyti, kaip tie pokyčiai paveiks širdies ritmą ir kraujotaką. Mes galėjome numatyti, kuriuos širdies ląstelių jonų kanalus reikia koreguoti vaistais, mažinančiais aritmijas, pvz., pacientams, patyrusiems širdies priepuolį, sako Herrling. Jis pabrėžia, kad kardiomą reikia labai papildomai tobulinti, kad jis galėtų pateikti išsamias, išsamias ir tikslias prognozes, kaip širdis reaguotų į įvairius galimus vaistus. Tačiau surinkome pakankamai elementų, kad galėtume gerai pradėti, sako jis. Tai man sako, kad verta ieškoti modelių, net jei jie dar nėra tobuli.

Virtualios širdys taip pat tobulina chirurginį gydymą. Pavyzdžiui, apie penkis milijonus amerikiečių kenčia nuo stazinio širdies nepakankamumo, o vienas palyginti naujas populiarėjantis gydymo būdas apima dviejų širdies stimuliatorių implantavimą pacientams, kad būtų išvengta nenormalaus širdies ritmo, būdingo šiai ligai. Tačiau gydytojams gali kilti problemų nustatant elektros stimuliacijos seką, kuri geriausiai užtikrina stipresnį širdies plakimą. Taigi McCullochas pritaikė vieną iš savo modelių, kad imituotų sergančią širdį su dviem širdies stimuliatoriais, todėl jis gali eksperimentuoti kompiuteriu, kad surastų tinkamą vietą ir laiką dviem sukrėtimams. Jis sako, kad širdies stimuliatorių įmonės labai domisi darbu.

Kad ir kokios įdomios būtų šios ankstyvosios programos, modeliuotojai turi daug didesnių ambicijų. Biologai ir gydytojai tikisi, kad modeliavimo tyrimai suteiks gyvybę visam virtualiam pacientui su visu modeliuojamų organų komplektu. Tai leistų, pavyzdžiui, ištirti, kaip eksperimentinis širdies vaistas veikia inkstus, arba nustatyti ilgalaikį riebios dietos poveikį per kelias savaites, o ne stebėti savanorius ilgus metus. Žengdamas vieną mažą žingsnį šio aukšto tikslo link, Hunter padeda prižiūrėti atviro standarto programavimo kalbos, vadinamos CellML, kūrimą, pagrįstą XML, tinklalapių kūrimo kalba. Per ateinančius du ar tris dešimtmečius CellML ir kiti tokie standartizuoti įrankiai suteiks modeliuotojams bendrą kalbą ir leis integruoti širdies darbą su kitų organų skaičiavimo modeliais. Visi klausiame savęs, kokios infrastruktūros mums reikia, kad mūsų darbas būtų plečiamas ir išplečiamas į kitas programas kitais lygiais, sako Johnsonas. Mes nenorime, kad kardiomas būtų vienkartinis.

Modeliavimo banga veda į daug žadantį kompromisą: kuo geriau mes sukuriame virtualią širdies ligą, tuo mažiau matome tikrąją įvairovę.

Veikia virtualios širdys
BENDROVĖ	TAIKYMAS
Artezinė terapija (Gaithersburg, MD)	Širdies modeliai, padedantys kurti vaistus
Panardinimo medicinos (Gaithersburg, MD)	Visos širdies modeliai, skirti ruošti chirurgus
Insilicomed (La Jolla, Kalifornija)	Visos širdies modeliai medicinos prietaisų projektavimui
Predix Pharmaceuticals (Woburn, MA)	Širdies ląstelių ir audinių modeliai vaistų atradimui

paslėpti