Многомасштабное моделирование механики левого желудочка сердца при некоторых наследственных кардиомиопатиях
Автор: Фёдор Александрович Сёмин
Соавторы: Хабибуллина Альбина Рустемовна, Цатурян Андрей Кимович
Организация: Научно-исследовательский институт механики МГУ им М.В. Ломоносова
В основе сокращения сердца лежат сложные взаимосвязанные процессы различной природы, протекающие на уровнях одиночной клетки сердечной мышцы, ткани и целого органа. Для понимания механизмов этих процессов, их взаимосвязей и причин нарушений в работе сердца, полезны математические модели, которые могли бы лечь в основу систем диагностики сердечных заболеваний и оценки эффективности их лечения. Для этого модели должны детально описывать механизмы работы сердца и быть относительно простыми с вычислительной точки зрения.
В докладе представлена математическая модель сердечно-сосудистой системы с многомасштабным описанием левого желудочка сердца (ЛЖ) [1]. Это описание основано на подробной клеточной модели сокращения сердечной мышцы и его регуляции, задаваемой системой обыкновенных дифференциальных уравнений [2]. С помощью этой модели мы исследовали два типа наследственных кардиомиопатий, вызванных мутациями в одном из регуляторных белков сердечной мышцы. Каждая из мутаций приводила к нарушению сократительных и регуляторных свойств миокарда на клеточном уровне и изменению формы (ремоделированию) ЛЖ: концентрической гипертрофии (утолщению стенок желудочка) или дилатации (увеличению объёма полости желудочка). Мы опирались на клинические данные, полученные на клетках и сердцах пациентов с этими мутациями. Одна из них, ассоциированная с гипертрофической кардиомиопатией, вызывала существенное падение максимальной силы, развиваемой одиночным волокном мышцы, рост чувствительности силы к внутриклеточной концентрации ионов кальция и подавление зависимости такой чувствительности от длины волокон. Другая мутация, ассоциированная с дилатационной кардиомиопатией, вызывала падение кооперативности активации (наклона стационарных кривых кальций-сила) и снижение чувствительности сокращения к кальцию. Описание процессов регуляции сокращения клетки в нашей модели позволило нам численно исследовать влияние эффектов указанных мутаций на характеристики сердца как насоса. Расчёт сердечного цикла с учётом изменения формы ЛЖ выявил компенсаторные эффекты подобного ремоделирования.
Работа поддержана грантами РФФИ 18-31-00065 и 17-00-00066.
1. Syomin F.A., Zberia M.V., Tsaturyan A.K. Multiscale simulation of the effects of atrioventricular block and valve diseases on heart performance // Int J Numer Methods Biomed Eng. 2019. V. 35(7):e3216.
2. Syomin F.A. and Tsaturyan A.K. A simple model of cardiac muscle for multiscale simulation: Passive mechanics, crossbridge kinetics and calcium regulation // J Theor Biol. V. 420. P. 105–116.
