Научный микроблог

Результат исследований по проекту РНФ № 19-14-00134 рук. д.ф.-м.н., проф. О.Э. Соловьева

Разработана и реализована в виде пакета компьютерных программ технология построения и расчета персонифицированных моделей электрической активности желудочков сердца человека (рис. 1).

Рисунок 1. Этапы создания электрофизиологических моделей: 1. Сегментация данных компьютерной томографии (КТ). 2. Создание конечно-элементной персонифицированной геометрии. Желтым цветом обозначены легкие, красным - сердце. 3. Расчет электрофизиологического возбуждения в сердце: А. Выделение геометрии сердца; В. Задание поля миокардиальных волокон; С Расчет карты активации. Звездочки обозначают местоположения виртуальных стимулирующих электродов, красная область - постинфарктный рубец. 4. Расчет карты потенциалов на поверхности торса. 5. Расчет сигналов ЭКГ.

В ходе решения задачи построения персонифицированных моделей нами проведено обширное биофизическое исследование и получены новые значимые результаты. Усовершенствован и реализован метод универсальных координат, обеспечивающий масштабирование геометрических параметров моделей, возможность сравнения моделей друг с другом. Проведен анализ чувствительности модели к различным параметрам модели. Найдены наиболее значимые параметры, варьирование которых в наибольшей степени влияет на характеристики ЭКГ [1]. В рамках проекта разработаны алгоритмы оптимизации параметров проводимости на основе данных ЭКГ пациентов различными методами и проведено их сравнение [2].

На основе собранных клинических данных при помощи разработанных инструментов построения персонифицированных моделей в рамках проекта создана уникальная, самая большая на сегодняшний день в мире коллекция (n=62) пациент-специфических биофизических моделей желудочков сердца пациентов с ХСН, учитывающих морфометрические характеристики левого желудочка; степень тяжести и локализацию фиброзных и постинфарктных изменений миокарда; особенности нарушения проведения по системе Гиса-Пуркинье; индивидуальные характеристики ЭКГ пациента, характер диссинхронии желудочков; а также локализацию электродов кардиостимулятора и параметры программирования устройств СРТ. Эта популяция персонифицированных моделей позволила нам провести серию виртуальных клинических исследований, на основе которых нам удалось при помощи методов машинного обучения разработать прогностическую модель (классификатор) успешности проведения СРТ, значительно повышающую точность предсказания по сравнению с существующими клиническими рекомендациями и другими прогностическими моделями, основанными на клинических данных [3, 4, 5].

В данном проекте мы впервые разработали принципиально новый подход, заключающийся в использовании комбинированных клинических и модельных данных для прогноза успешности СРТ. Наряду с имеющимися дооперационными клиническими данными пациентов мы использовали результаты расчетов персонифицированных моделей электрической активности желудочков сердца в качестве in-silico предсказаний результативности виртуальной стимуляции желудочков для конкретного пациента, которые можно получить до имплантации ему устройств. Впервые объединенный гибридный набор реальных и расчетных данных был нами использован для обучения модели классификации респондеров и нереспондеров на терапию. В результате нам удалось увеличить точность дооперационного прогноза вероятности успеха СРТ до 80%, что значительно (более чем на 10%) превышает точность существующих моделей прогноза, основанных только на клинических данных, включая действующие клинические рекомендации [3].

Ссылки

1. Ushenin K., Kalinin V., Gitinova S., Sopov O., Solovyova O. Parameter variations in personalized electrophysiological models of human heart ventricles // Plos One. 2021. 16(4): e0249062. IF(2020)=3.24, Q1 SRJ, WOS  SCOPUS
2. Bazhutina A.E., Dokuchaev A.D.,  Khamzin S.Yu., Zubarev S., Solovyova O. Comparison of CRT Optimization Results for Different Accuracy Personalized Models // 2021 IEEE Ural-Siberian Conference on Computational Technologies in Cognitive Science, Genomics and Biomedicine (CSGB), 2021, pp. 420-424. doi: 10.1109/CSGB53040.2021.9496023, Scopus
3. Khamzin S., Dokuchaev A., Bazhutina A., Chumarnaya T., Zubarev S., Lyubimtseva T., Lebedeva V., Lebedev D., Gurev V.,  Solovyova O. Machine Learning prediction of cardiac resynchronisation therapy response from combination of clinical and model-driven data // Frontiers in Physiology. ‒ 2021. ‒ V. 12. ‒ № 2283. DOI: 10.3389/fphys.2021.753282 , IF(2020) =4.566, Q1 WoS, Scopus
4. Rokeakh R., Bazhutina A., Khamzin S., Dokuchaev A., Chumarnaya T., Zubarev S., Lyubimtseva T., Lebedeva V., Lebedev D., Solovyova O. Combination of clinical data and personalized ventricular model simulations for cardiac resynchronization therapy outcome prediction //  Heart Rhythm, Vol. 18, No. 8, August Supplement 2021, B-PO05-009, pp. S374-S375. doi: 10.1016/j.hrthm.2021.06.929, IF(2020)=6.343, Q1 WoS, Scopus
5. Rokeakh R., Bazhutina A., Khamzin S., Dokuchaev A., Chumarnaya T., Zubarev S., Lyubimtseva T., Lebedeva V., Lebedev D., Solovyova O. Predicting CRT outcome by combining markers from personalized ventricular models of electrophysiology and clinical data // European Heart Journal. 2021. . 42, Issue Supplement_1, October 2021, ehab724.0710 doi: 10.1093/eurheartj/ehab724.0710, IF(2020)=29.983, Q1WoS, Scopus

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №18-01-00059 (А)рук. д.б.н. Кацнельсон Л.Б.

• Использование мультимасштабных 3D моделей сердца человека повышает эффективность медицинской практики в кардиологии.
• Для таких моделей необходимы модели кардиомиоцитов человека для учета внутриклеточныхмеханизмов, лежащих в основе связи между возбудимостью сердца и его насосной функцией.
• Важно: Экспериментальные данные о процессах возбуждения-сокращения в здоровом и патологическом миокарде человека являются немногочисленными и разрозненными.

Новая объединенная модель электромеханического сопряжения в кардиомиоците человека TP+M:

• Моделирует прямую и обратную связь электрических и механических явлений в миокарде человека;
• Может быть использована как основа мультимасштабных моделей миокарда от уровня ткани до уровня целого желудочка.

Электрофизиологический компонент: модель кардиомиоцита человека ТР06 [1]

Модель TP+M использует описание ионных токов через каналы на мембране клетки, описание динамики Ca2+ в диадном пространстве (SS) и саркоплазматическом ретикулуме (SR), взятое из модели TP06. Красным пунктиром выделено описание кинетики кальций-тропониновых комплексов (Ca-TnC) и описание кинетики поперечных мостиков [2].

Кальций-тропониновые комплексы и прикрепление поперечных мостиков

Кооперативное механозависимое формирование Ca-TnC комплексов – ключевой механизм механо-кальциевых обратных связей, и следовательно, механо-электрических обратных связей в кардиомиоците [2].

Механический компонент модели

Для описания деформации и развития силы используется реологическая схема [2]. Сократительный элемент (Contractile element) моделирует саркомер. Упругие элементы (elastic elements), моделируют пассивные свойства структур мышцы или кардиомиоцита. Вязкие элементы (Viscous elements) моделируют вязкие свойства ряда внутриклеточных структур.

Примеры работы модели

Грузозависимость (постнагрузочные сокращения)

Красными линиями показаны сигналы сокращений при постоянной длине (изометрических сокращений). Оттенками серого показаны сокращения под разными постоянными постнагрузками (изотонические). Сила нормирована на максимум изометрической силы.

Длинозависимость (изометрические сокращения)

Красными линиями показан сократительный цикл модели кардиомиоцита на большей длине, синей – на меньшей. На меньшей длине максимальная изометрическая сила была меньше. Это сопровождалось меньшей концентрацией Ca-TnC и большей длительностью кальциевого перехода и потенциала действия.

Быстрые деформации

Быстрое уменьшение длины. Черной линией показано стационарное изометрическое сокращение. Клетка, сокращающаяся на контрольной длине Linit, быстро отпускается до новой длины в разные моменты времени и с разной скоростью, демонстрируя инактивацию силы и увеличение длительности потенциала действия.

Ссылки

[1] ten Tusscher KH, Panfilov AV. (2006) Am J Physiol Heart Circ Physiol291(3):H1088-H1100.

[2] Katsnelson LB et al. (2011) Theor Biol. 272(1): 83-95.

[3] Xu A and Narayanan N. (1998) Am J Physiol 275(6Pt2):H2087-2094.

в УрФУ разработаны новые инструменты партнерства с внешними организациями, позволяющие более широко информировать студентов о проектах, которые готовы предложить сотрудники организации для совместной реализации.

К.С. Ушенин на семинаре рассказал об этих возможностях и привёл примеры современных форм привлечения к проектной научно-исследовательской работе студентов, используемой в ВШЭ, Сколковстком институте науки и технологии, НКО Институт биоинформатики. Речь шла также про проектные практикумы, открытые списки проектов, интенсивные формы подготовки: хакатоны, буткемпы и т.д.

К.С. Ушенин поделился своим личным опытом взаимодействия. Особый акцент был сделан на новый сайт партнеров УрФУ: partner.urfu.ru

На сайте института размещена презентация, представленная К.С. Ушениным на данном семинаре: Скачать PDF презентации

Ускоренное восстановление печени после повреждения путем стимуляции иммунокомпетентных клеток

Продукция белков теплового шока массой 60 кДа (желто-коричневые гранулы) в печени крыс при коррекции токсического повреждения. Иммуногистохимическое окрашивание, увеличение 400х.

Фото: Лаборатория морфологии и биохимии ИИФ УрО РАН

В экономически развитых странах заболевания печени входят в число шести основных причин смерти пациентов от 35 до 60 лет, составляя 14–30 случаев на 100 тыс. населения. К числу частых патологий печени относятся острые токсические поражения, осложняющиеся развитием печеночной недостаточности при отравлении гепатотоксичными ядами, приеме больших доз анальгезирующих, противовоспалительных, антибактериальных и других лекарственных препаратов. Ежегодно в мире умирают 40 млн человек от цирроза печени и гепатоцеллюлярной карциномы. Высокая распространенность заболеваний печени делает актуальным поиск новых методов лечения заболеваний печени.

Тропомиозин (Tpm) – альфа-спиральный белок, который входит в состав тонких нитей саркомеров поперечно-полосатых мышц и участвует в регуляции сокращения. Известно более 30 мутаций в гене, кодирующем сердечный Tpm (TPM1), которые ассоциированы с развитием тяжелых наследственных заболеваний сердца человека. Целью проекта является сравнение структурно-функциональных свойств альфа- и каппа-тропомиозина (Tpm1.1 и Tpm1.2, соответственно), несущих точечные мутации L113V, I130V, D159N, R160H и S229F, ассоциированные с развитием некомпактной кардиомиопатии левого желудочка и пороками развития сердца.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

• С помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) изучено влияние мутаций на доменную структуру Tpm1.1 и Tpm1.2. Обнаружено, что все исследованные мутации влияли на доменную структуру Tpm1.1 и Tpm1.2 (рис. 1).
• Влияние мутаций на взаимодействие Tpm с актином исследовано с помощью соосаждения с гель-электрофорезом. В Tpm1.1 мутации I130V и D159N уменьшали сродство тропомиозина к актину, а остальные мутации не влияли на него. Мутации I130V, D159N и S229F снижали сродство Tpm1.2 к актину (рис. 2).
• Для исследования влияния мутаций на Са2+ регуляцию актин-миозинового взаимодействия в предсердиях мы проанализировали Са2+ зависимость скорости скольжения тонких филаментов, содержащих Tpm с мутациями, по миозину предсердий в ИПС. Все мутации в Tpm1.1, влияли на характеристики Са2+ зависимости скорости филаментов. Мутации L113V и D159N в Tpm1.1 уменьшали, а I130V и S229F увеличивали максимальную скорость скольжения филаментов по миозину предсердий. Мутации I130V, D159N и R160H уменьшали Са2+ чувствительность скорости. Только одна мутация в Tpm1.2 влияла на Са2+ регуляцию актин-миозинового взаимодействия: I130V мутация понижала максимальную скорость скольжения филаментов по миозину предсердий в ИПС (рис. 3).
• В результате моделирования молекулярной динамики обнаружено, что мутация L113V вызывает изменения структурных свойств молекул Tpm1.1 и Tpm1.2, в том числе в участках, удалённых от места внесения аминокислотной замены (рис. 4).
• Таким образом, изменения структуры молекулы Tpm1.1 вследствие НМЛЖ мутаций приводят к нарушению актин-миозинового взаимодействия в предсердиях.

Рис. 1 Кривые теплопоглощения WT Tpm1.2 и Tpm1.2 с НМЛЖ мутациями, полученные с помощью метода ДСК. Домен 2 соответствует С-концевой части молекулы, домен 3 – N-концевой части, а домен 1 соответствует плавлению наименее упорядоченных участков (центральной части и зоны перекрытия N- и С-концов соседних молекул тропомиозина).

Рис. 2 Влияние мутаций тропомиозина на его аффинность к актину.

Рис. 3 Влияние мутаций Tpm1.1 на кальциевую зависимость скорости скольжения тонких филаментов по миозину предсердий в in vitro подвижной системе. Экспериментальные данные аппроксимированы уравнением Хилла: V = Vmax×(1+10h(pCa-pCa50))-1, где V и Vmax – скорость и максимальная скорость скольжения нитей при насыщающей концентрации кальция, соответственно, pCa50 (чувствительность к кальцию) – это рСа, при котором достигается полумаксимальная скорость, а h – коэффициент Хилла.

 

Рис. 4 Оценка изгибной жесткости молекул WT Tpm1.1, WT Tpm1.2 и c мутацией L113V по результатам молекулярно-динамического (МД) моделирования. Жесткость оценивали с помощью метода, описанного в работах [Matyushenko et al., FEBS J, 2018; Koubassova et al., Intl J Mol SCi, 2018], по зависимости среднестатистического изгиба оси суперспирали от расстояния s от N-конца молекулы Трm (In((s(s),(t(s)))) от s для изоформ Tpm; s - расстояние вдоль оси супер-спирали Трт от N-конца молекулы; t - единичный вектор, касательный к оси супер-спирали; <…> - среднее значение за время МД расчёта). Чем меньше наклон этой зависимости, тем выше изгибная жёсткость молекулы Tpm [Matyushenko et al., FEBS J, 2018].

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №18-04-00572-а

Руководитель Лукин О.Н.

Было изучено влияние механической деформации, имитирующей систолическое сокращение миокарда, на мгновенные и отсроченные изменения силы сокращения и кальциевого перехода, одновременно измеряемые в трабекуле правого желудочка сердца крысы после прекращения деформации (пост-деформационный ответ). Для количественной оценки этих изменений были разработаны оригинальные биомеханические тесты, в которых изучалось влияние различных параметров деформации (амплитуда и длительность одиночного цикла деформации, число последовательно задаваемых циклов) на сократительный ответ и кальциевую кинетику в сердечной мышце.

Установлено, что инотропный эффект деформации зависит не только от амплитуды этой деформации, но и от числа последовательно идущих циклов деформации. Механо-индуцированные инотропные эффекты обусловлены нарушением баланса утилизации кальция двумя основными кальциевыми внутриклеточными буферами – саркоплазматическим ретикулумом и миофиламентами. При физиологической частоте стимуляции диастолический интервал, в течение которого этот механо-индуцированный кальциевый дисбаланс мог бы полностью восстанавливаться, является недостаточным, поэтому имеют место существенно более выраженные пост-деформационные инотропные эффекты, по сравнению с низкой частотой стимуляции. Инотропные эффекты непосредственно связаны с изменениями диастолического уровня и амплитуды кальциевого перехода. Относительные изменения этих характеристик составляют не более нескольких десятков % от величины характеристики до задания деформации, но этого достаточно для формирования мощного пост-деформационного ответа, который при физиологической частоте стимуляции достигает сотен % относительно величины силы сокращения до задания деформации.

Было впервые показано, что изменение кальциевой активации миофиламентов при снижении уровня активаторного кальция саркоплазматического ретикулума (при частичном ингибировании АТФ-зависимого кальциевого насоса) или снижении кооперативной активации миофиламентов (при частичном ингибировании АТФ-азной активности миозина) приводит к уменьшению выраженности пост-деформационных инотропных ответов сердечной мышцы. В патологически измененном миокарде с дефицитом кальциевой активации (в монокроталиновой модели легочно-сердечной недостаточности у крыс) было впервые показано, что динамическая систолически-подобная деформация вызывает количественно более слабые пост-деформационные инотропные ответы, по сравнению с миокардом здоровых крыс.

Механические условия сокращения являются важным детерминантом в регуляции сократительной функции миокарда. Инотропные ответы сердечной мышцы на серию циклических деформаций, имитирующих систолическое укорочение-удлинение, отражают комбинированный эффект механо-зависимых механизмов регуляции сократимости, среди которых главными являются кооперативная активация миофиламентов и уровень активаторного кальция в саркоплазматическом ретикулуме. Полученные данные проясняют роль частото-зависимой и индуцированной деформацией модуляции сократимости здорового и патологически измененного миокарда, реализующейся посредством механо-кальциевой обратной связи. В перспективе необходимо изучение эффектов систолической деформации на сократимость миокарда при нарушениях кальциевого гомеостаза и миопатиях, вызванных структурно-функциональными изменениями миофиламентов, а также разработка количественных индексов для оценки инотропных эффектов деформации на уровне целого сердца.

В 2019 году в целостном виде были сформулированы основные положения общей теории типовых патологических процессов на основе результата комплексных исследований различных заболеваний и целевом обобщении литературных источников в различных областях биологии, медицины и методологии изучения сложных систем. Эта теория позволяет определить механизмы взаимосвязей и возможные взаимные переходы не только различных общепатологических процессов, но и их связь со многими физиологическими процессами. При этом общим связующим звеном всех этих процессов являются различные проявления тканевого стресса, элементарной функциональной единицей которого является клеточный стресс (см. рис.). В свою очередь, основу клеточного стресса формирует комплексы индуцибельных программ клеточного реагирования в ответ на действие на клетку различных повреждающих факторов или молекулярных паттернов, предупреждающих клетку о возможном повреждении. Эти программы поддаются эпигенетическому контролю со стороны различных средовых факторов и включают как тканеспецифичные признаки, так и эволюционно консервативные механизмы, присущие различным типам клеток. Исходом клеточного стресса могут быть прерывание митотического цикла и старение клетки, малигнизация (опухолевое перерождение), провоспалительная трансформация, но также программная гибель клеток по варианту апоптоза или некроза.