Биофизики создали компьютерную модель, которая позволяет точно оценить слабые электрические токи, постоянно возникающие в кардиомиоцитах — клетках сердца. Токи возникают в процессе переноса заряженных атомов — ионов — через клеточные мембраны. Этот процесс лежит в основе сердечной проводимости тканей, его сбои могут приводить к нарушению сердечного ритма и другим заболеваниям. Разработанная учёными модель учитывает ряд параметров, которые раньше с трудом поддавались оценке. По мнению авторов работы, исследование поможет в диагностике кардиологических заболеваний и оценке безопасности лекарственных препаратов. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physiology.
Не секрет, что в человеческом теле работают слабые электротоки. Например, потенциал-зависимые натриевые токи обеспечивают распространение электрического возбуждения в тканях организма. Благодаря им нейроны передают сигналы, а мышцы сокращаются.
Ученым нужно понимать, каковы глубинные механизмы возникновения токов, чтобы создавать новые, более совершенные стратегии лечения патологий и заболеваний. В частности, нарушение распространения токов натрия в клетках сердца (кардиомиоцитах) ведёт к ухудшению проводимости ткани и, как следствие, аритмии. Это опасное заболевание, при котором сердце сокращается быстро и неритмично, что приводит к повреждению миокарда, образованию тромбов и даже инсульту.
Изучение явления осложнено высокой амплитудой натриевого тока и быстрого изменения во времени, особенно при температуре организма человека (37 °C). Поэтому возбуждение в клетке сердца измеряется при комнатной температуре, а результаты экстраполируются на нужные физические условия. Но у этого подхода есть недостатки. Например, в модели О’Хара-Руди, которая описывает потенциал действия в кардиомиоцитах, распространение возбуждения прекращается при незначительном увеличении концентрации ионов калия (гиперкалиемии), хотя в реальности этого не наблюдается. Ещё одним источником неточностей является сама методика электрофизических измерений, которая не учитывает, что у клеточной мембраны есть ёмкость, как у конденсатора.
В своей работе исследователи из МФТИ и Сеченовского университета представили новую модель, которая описывает динамику ионного натрия тока, и проверили её на практике. Благодаря этому получилось уменьшить число нежелательных параметров при количественной оценке токов в клетке. Измерения потенциалов и токов проводились методом патч-кламп в культуре кардиомиоцитов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Описание работы ионных каналов и токов облегчит работу по изучению безопасности лекарственных препаратов, а также создание кардиологических моделей для терапии конкретных пациентов.
Особенность созданной модели в том, что она описывает динамику не только ионного тока, но и всего электрофизического эксперимента. При построении были применены новые подходы к оптимизации параметров. Кроме того, учитывалось, что мембрана кардиомиоцитов имеет ненулевую электрическую ёмкость, из-за чего мембранный потенциал меняется не мгновенно, а за некоторое время. Исследователям также удалось измерить ток при температуре 37°C за счет снижения концентрации натрия вне клеток.
Модель смогла объяснить распространение волн возбуждения в условиях, когда концентрация калия в среде выше нормы, в то время как классические математические модели ткани желудочков блокируют распространение токов даже при небольшом повышении количества ионов.
Оптимизация параметров математической модели из данного исследования показала, что даже незначительное увеличение концентрации другого иона — натрия, приводит к резкому росту напряжения на мембране. Из-за этого скорость подъёма потенциала действия в измерениях патч-кламп может быть недооценена примерно на 30%, что в масштабе миллисекунд очень значительно.
«С точки зрения экспериментальной работы, мы использовали модель кардиомиоцитов человека, полученных направленной дифференцировкой из индуцированных стволовых клеток. Сейчас это единственный подход, позволяющий исследовать и изолированные клетки (а именно мембранные ионные токи), и согласованную работу клеток в составе небольшого участка ткани. Использование двух способов валидации компьютерной модели на разных уровнях организации выгодно отличает нашу работу от других похожих проектов. Надеемся, что полученная нами модель упростит как фундаментальные исследования сердечной ткани, так и прикладные, например, прогностическое моделирование действия антиаритмиков», — рассказал соавтор работы Михаил Слотвицкий, научный сотрудник Лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
Исследование является частью совместной работы ученых Лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ и Сеченовского университета под руководством Романа Сюняева по изучению механизмов возникновения аритмий (в частности, фибрилляций предсердий) и созданию индивидуальных подходов к их диагностике и лечению. Главная цель — создание инструментов, которые найдут применение в персонализированной медицине.
