3D-модель коронарного сосуда поможет предотвратить болезни сердца

Ученые разработали трехмерную модель кровотока в коронарном сосуде, которые питает ткани сердца. Предсказания модели согласуются с экспериментальными данными, и уже в ближайшее время компьютерное моделирование коронарного сосуда может быть использовано для клинических испытаний. Результаты исследования ученых из Университета ИТМО, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Frontiers in Physiology.

Заболевания сосудов сердца – одна из самых распространенных причин смерти в развитых странах мира. Коронарные сосуды снабжают кровью ткани сердца, поэтому нарушение их работы может привести к очень тяжелым последствиям: недостатку кислорода в сердечной ткани, ишемии, препятствующей сердечной функции, и, в конечном счете, к сердечному приступу.

Сужение (стеноз) коронарных сосудов часто предотвращают, устанавливая в них металлический каркас – стента. После установки металлический стент естественным образом покрывается тканью внутренней выстилки сосуда, однако в некоторых случаях развивается осложнение – рестеноз – чрезмерное разрастание ткани, из-за чего просвет артерии повторно сужается.

Классический способ изучения рестеноза – эксперименты на животных, чаще всего на свиньях. Однако они занимают много времени, стоят дорого, а физиология свиньи не так точно соответствуют физиологии человека. Изучать рестеноз можно, оптимизируя положение стента в сосуде при помощи моделирования. Благодаря этому дальнейшие процедуры лечения должны снижать частоту осложнений.

Ученые из ИТМО совместно с коллегами из Амстердамского университета смогли рассчитать процесс рестеноза, моделируя рост (деление) клеток ткани гладкой мускулатуры, которая выстилает поверхность артерии. Расчетными параметрами модели были сдвиговые механические напряжения, возникающие из-за течения крови в просвете артерии, концентрации ингибиторов (замедлителей) и катализаторов (ускорителей) роста клеток. Полная модель рестеноза включает в себя, помимо биологической, реологическую модель ткани (эта модель описывает деформации сосуда), гидродинамическую модель течения крови и модель диффузии (проникновения) биологически активных химических веществ в ткани внутренней выстилки сосуда.

«Ранее, в журнале Philosophical Transactions A мы сообщили о концепции виртуальной артерии и составили обзор входящих в нее отдельных моделей. Статья в Frontiers of Physiology – первое опубликованное подробное описание трехмерной модели рестеноза, в котором есть сравнение результатов моделирования с данными экспериментов», – рассказал соавтор работы, аспирант кафедры высокопроизводительных вычислений ИТМО Павел Зун.

Основным параметром сравнения была средняя толщина новой ткани (неоинтимы) в модели и в эксперименте в разные моменты времени. Ученые установили, что рост новообразованной ткани во времени (временная динамика) и реакция ткани на изменение начальных параметров качественно совпадают с экспериментальными данными. Но количественно итоговый рост в модели оказывается в полтора-два раза меньше, чем в эксперименте. Пока что в модели отсутствует последующее уменьшение неоинтимы из-за высвобождения воды из межклеточного вещества стенки сосуда, так как этот компонент стенки пока не моделируется.

По словам ученого, после должной проверки компьютерная модель сможет быть использована для того, чтобы дополнить и частично заменить дорогостоящие испытания на животных и в конечном счете помочь снизить риск повторного стеноза у пациентов.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.