THE JOHNS HOPKINS UNIVERSITYOFFICE OF NEWS AND INFORMATION3400 N. Charles StreetB altimore, Maryland 21218-2692Телефон: (410) 516-7160 / Факс (410) 516-5251
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
25 июля 1997 г. ДЛЯ НЕМЕДЛЕННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОНТАКТЫ: Phil [email protected]
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ СЕРДЦА МОГУТ ПОМОЧЬ ЛЕЧИТЬ СЕРДЕЧНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
Собачье сердце на экране компьютера Рэймонда Уинслоу бешено бьется.
Диагноз - тяжелая аритмия, аномальная электрическая активность, которая может убить собаку в течение нескольких минут. Уинслоу заразил собаку этой болезнью, манипулируя числами, которые создали ее сердце - трехмерную модель, существующую только внутри компьютера. Теперь он снова меняет несколько чисел, на этот раз для настройки микроскопических ворот или ионных каналов, которые регулируют электрическую возбудимость клеток сердца. Спустя несколько мгновений сердце бьется медленнее и регулярнее. Для этого компьютерно-анимированного органа «смерть» больше не является неизбежной.
Человеческие сердца также могут извлечь пользу из этого высокотехнологичного союза между биологией и компьютерными технологиями, говорит Уинслоу, доцент биомедицинской инженерии в Университете Джонса Хопкинса. Используя высокодетализированную компьютерную модель, имитирующую работу сердца - вплоть до субклеточного уровня, - он изучает серьезные сердечные расстройства и математически «испытывает» лекарства, которые могут их вылечить.
Он начинает с перевода физиологических функций сердца в числовые формулы, используя последние данные, собранные биологами. Затем, внося небольшие изменения в модель, он может увидеть, как определенные ферменты, белки и другие молекулы заставляют сердце биться правильно – или неправильно.
Используя эту модель, Уинслоу ищет лекарства, которые могли бы продлить жизнь миллионов людей, страдающих застойной сердечной недостаточностью. Его эксперименты уже показали, что определенные лекарства, используемые для контроля высокого кровяного давления, могут также предотвращать внезапную сердечную смерть.
Уинслоу и его ключевой партнер по исследованиям Денис Ноубл создали компанию Physiome Sciences Inc., чтобы заниматься коммерческим применением этого программного обеспечения и продавать лекарства, обнаруженные командой.
Ноубл, профессор Оксфордского университета в Англии, разработал первые математические модели электрической активности сердца более 30 лет назад. Опираясь на работу Ноубл и создавая еще более сложные компьютерные модели, Уинслоу считает, что команда открывает новые важные горизонты. «До нашего проекта, - говорит он, - никто никогда не моделировал электрические аритмии в трехмерной модели сердца, а затем не использовал ее в качестве средства для проверки действия лекарств."
В последние месяцы Уинслоу обсуждал это исследование перед Международным союзом физиологического общества в Санкт-Петербурге, Россия, и на конференции по вычислительной биологии сердца в Сан-Диего. Его текущая модель копирует собачье сердце, которое работает так же, как человеческое. Но Уинслоу говорит: «Эта методология будет работать и с другими системами органов и тканями».
Этот метод - использование численных моделей для изучения биологических функций - восходит к началу 1950-х годов, когда два британских ученых использовали грубые ручные калькуляторы, чтобы вывести математические уравнения, представляющие электрическую активность нерва аскариды. Сегодня успехи на двух научных фронтах сделали эту область исследований еще более плодотворной. Во-первых, биологи собирают гораздо более подробную информацию о том, как клетки и даже гены взаимодействуют, определяя здоровье человека. В то же время компьютерные технологии намного мощнее и доступнее, что облегчает исследователям сбор и обработку этих сложных результатов.
«Это просто взрыв клеточных и молекулярных данных о свойствах сердечной ткани», - говорит Уинслоу. «В некотором смысле, модели не поспевают за этим потоком данных, и существует реальная потребность в создании еще более биофизически подробных моделей отдельных клеток сердца, которые включали бы всю эту информацию».
Используя такие компьютерные модели сердца, говорит Уинслоу, фармацевтические компании смогут значительно сузить поиск жизненно важных лекарств и сэкономить миллионы долларов, которые сейчас тратятся на традиционные методы проб и ошибок. «Если вы можете попросить компанию искать лекарство, оказывающее специфическое воздействие на конкретный ионный канал, - говорит он, - это важно, потому что, как только эти компании узнают, какое лекарство искать, у них будет технология для проверки более 10 000 соединений в день, чтобы найти такое лекарство».
Эта техника также может привести к прорывам, затрагивающим другие органы.«Модели - это инструменты для изучения функций биологических механизмов, - говорит Уинслоу. «Этот подход можно использовать не только для сердца. Его можно применять к другим заболеваниям, другим биологическим системам. Мы используем сердце в качестве первого примера, своего рода отправной точки».
Некоторые компьютерные симуляции электрической активности сердца Уинслоу можно найти по следующему адресу в Интернете: