模拟心律失常的虚拟心脏

来自mpt和根特大学(比利时)的一组研究人员开发了第一个真实的复杂心脏微结构模型。研究人员希望该模型能够阐明影响心律失常发作的纤维化的原因。虽然该模型目前只模拟了心肌细胞的一层，但模拟中观察到的电波传播与实验组织中的电波传播是相同的。这篇论文发表在杂志上科学报告。

麻省理工学院的博士生、该研究的合著者妮娜·库德里亚绍娃(Nina Kudryashova)说，“发展的机会心律失常随着年龄的增长，这部分是由于纤维化。不幸的是，我们只能观察完全发展的临床表现，而不是心律失常本身的发展过程。这就是为什么我们提出了一个数学模型来确定导致不同纤维化模式形成的因素。”

根据世界卫生组织的数据，心血管疾病是全球死亡人数最多的疾病。其中约40%的死亡是由心律失常引起的突然死亡。心脏的收缩是由传播心脏组织中的电波。尽管组织是由不同类型的细胞，心肌细胞(CMs)执行心脏的机电功能。除了CMs，心脏组织还含有非兴奋细胞，即不能电兴奋的细胞，如成纤维细胞(FBs)。过量纤维结缔组织的形成称为纤维化;它影响波的传播，经常导致心律失常。虽然不能观察心律失常的发展/进展阶段，但心脏组织的计算机模拟可以为研究心脏组织形态与心律失常发展的关系提供新的机会。

为了建立一个可靠和准确的模型，研究人员收集了细胞形状的实验数据。为了这个目的,心肌细胞即CMs和胎牛血清，在不同条件下培养。研究中考虑了4个病例:有和没有纳米纤维的非相互作用(孤立的)细胞，有和没有纳米纤维的单层细胞。当在纳米纤维支架上生长时，这些细胞被迫向一个方向拉长，从而更好地复制心肌组织的质地。因此，研究人员获得了FBs和CMs的形状及其相互作用的统计数据。

Valeriya Tsvelaya，Ph.D.学生和该研究的另一个共同作者说：“由于心脏组织细胞沿纤维基板伸长，组织表现出各向异性，这是当电波根据传播方向传播不同。当波传播方向定向时（例如）如在非纳米纤维单层底物的情况下，观察到各向同性。“

为了再现心脏组织的形成，研究人员采用了一种数学模型，广泛应用于研究组织生长并使用收集的实验数据进行优化。它们获得的模型提供了四种情况中的每一个中的细胞形状参数的详细和准确的再现。为了观察激发波繁殖，研究人员用电极刺激培养物中的细胞。它们还模仿虚拟心脏组织中的波传播，并发现波传播模式精确地再现针对各向同性和各向异性病例的实验观察到的行为。因此，所提出的模型可用于研究心律失常的心脏组织特性和危险因素。

研究人员试图模拟波浪在心脏组织之前，但那些都是简单的模型没有复制细胞形状的复杂性。此外，在之前执行的所有模拟中，FBs都以随机的方式排列，而在现实中，CMs和FBs的排列方式源于它们相互作用的特性。在他们的模型中，研究人员考虑了细胞的形状和细胞之间的相互作用，从而使他们的计算机模拟更加准确和真实。

“我们提出的模型可以做出同样的预测波传播我们在实验样本中观察到的模式，这意味着它可以帮助我们预测病人发生心律失常的概率。你只需改变组织形成的条件，并观察该组织发生心律失常的几率，”MIPT可兴奋系统生物物理实验室主任康斯坦丁·阿格拉泽说。

也就是说，该模型目前还处于发展的初期阶段。研究人员必须考虑一些可能产生影响的因素组织发展。而且，心脏是三维的，而模型是二维的，这意味着研究人员还需要想办法把它变成三维的。实现这一目标将为描述活体组织开辟新的可能性。

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