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 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.
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 внутри 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.
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».
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.
