Ученые МФТИ научили нейросеть строить детальную карту пораженных и здоровых клеток тканей сердца по данным микроскопии. Используя компьютерную модель, им удалось исследовать, как фиброз приводит к возникновению аритмии и как на этот процесс влияет препарат верапамил. Разработка поможет хирургам не только точно определить картину болезни пациента, но и правильно спланировать ход лечения. Работа опубликована в Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology.
Детальная карта клеток тканей сердца. Розовые кардиомиоциты сердца, синие клетки — поражены фиброзом, желтые — соединительная ткань. Источник: лаборатория экспериментальной и клеточной медицины МФТИ
«Это не просто красивая картинка, в перспективе каждый такой «цифровой двойник» сердца может спасти десятки пациентов, страдающих от фиброза, от повторных операций и осложнений», — Михаил Словицкий, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ.
Чтобы получить это изображение, ученые изучили сотни снимков тканей сердца с конфокального микроскопа и аннотированные гистологические данные пациентов с фибрилляцией предсердий, предоставленные больницами ГКБ №23 имени И.В. Давыдовского и ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского. На их основе они создали алгоритм, который обнаруживает малейшие изменения в клетках и точно восстанавливает расположение фиброзных волокон каждого пациента.
«Розовым цветом здесь показаны кардиомиоциты — здоровые клетки соединительной ткани, отвечающие за проведение электрических импульсов, желтым — коллагеновые волокна, а синим — пораженные фиброзом клетки, где нарушается проведение импульсов (фибробласты).
Сейчас мы получили только первое тестовое изображение на основе микроскопии. В будущем мы планируем обучить ИИ строить такие карты на основе данных КТ, а затем и МРТ-снимков. Наш метод поможет видеть картину болезни с точностью, сопоставимой с гистологическим исследованием, но делать это безболезненно и неинвазивно», — добавила Валерия Цвелая, заведующая лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ.
Такую «виртуальную копию» ткани предсердия хирург может использовать не только при планировании операций, но и как «черновик», на котором исследует воздействие тех или иных препаратов.
Миллионы людей во всем мире страдают от фибрилляции предсердий — разрастания рубцовой ткани, которая нарушает проведение электрических импульсов и приводит в аритмии. Главная сложность состоит в том, что у каждого пациента картина фиброза развивается по-своему. Чтобы определиться с тактикой лечения, хирургам необходимо ориентироваться в ней на клеточном уровне.
Компьютерная модель, которую разрабатывают ученые МФТИ, выполнит эту задачу. В новом исследовании с ее помощью уже удалось сравнить, как электрические импульсы распространяются в сердце при фиброзе, и проверить, как на этот процесс влияет препарат верапамил.
Модель предсердия на основе изображения МРТ. (a) Размеченные вручную данные МРТ. (b) Трехмерная модель левого предсердия. (c) Модель предсердия воспроизводит картину фиброза, близкую к той, что наблюдается у пациентов (фиброз обозначен красным цветом, здоровая ткань — синим). Источник: Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology
Оказалось, что сам по себе фиброз не всегда приводит к нарушениям ритма. Если электрические свойства клеток сердца остаются нормальными, участки фиброза не вызывают устойчивой аритмии. Опасна именно длительная фибрилляция: когда электрофизиология клеток меняется, фиброз становится «проводником» для хаотических электрических волн.
Важным открытием стало влияние верапамила. В модели с нормальной электрофизиологией сердца этот препарат, наоборот, повышал риск аритмии при наличии фиброза. Зато у пациентов с длительной фибрилляцией предсердий верапамил восстанавливал нормальное проведение импульсов, подавляя опасные циркулирующие волны возбуждения. Это еще раз доказывает, что те или иные препараты могут быть эффективны только в определенных случаях, и чтобы их использовать, необходимо знать точную картину болезни.
Новая технология — еще один шаг на пути к персонализированной кардиологии, когда хирурги смогут планировать операции с учетом особенностей строения сердечной ткани пациента, и подбирать фармакотерапию на основе прогнозируемого моделью действия препаратов.
___________________________
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-74-01028).
