Ученые научно-исследовательской лаборатории «Экстремальная биология» Института фундаментальной медицины и биологии КФУ совместно с исследователями Московского физико-технического института и Университета Джорджа Вашингтона (CША) создали алгоритм, способный просчитывать электрические колебания в клетках сердца у каждого конкретного пациента.

Математическая модель найдет широкое применение в клинической практике, уверены разработчики. По словам ученых, созданные ими алгоритмы будут полезны не только для изучения принципов работы сердца, но и для проверки различных лекарств в лабораториях, а также для диагностики пациентов и подбора оптимальных методик их лечения.

Клетки сердца человека могут одновременно и спонтанно вырабатывать электрические импульсы и сокращаться, не требуя для этого постоянного потока команд от клеток нервной системы. Эти сигналы генерируют и распространяют так называемые клетки-водители, а кардиомиоциты – мышечные клетки – используют их для того, чтобы сокращаться и расслабляться в корректные моменты времени.

Из-за нарушений во взаимодействиях между этими клетками, а также из-за сбоев в передаче сигналов между ними в работе сердца могут появиться серьезные нарушения. Ученые достаточно долгое время пытаются выяснить, как возникают такие сбои, используя не только различные экспериментальные данные, но и компьютерные модели, которые детально имитируют работу сердца.

Эта работа осложняется тем, что у разных пациентов набор ионных каналов в клетках сердца, которые связаны с появлением и передачей электрических импульсов, часто сильно отличается. Причиной этому могут быть как болезни, так и генетические особенности каждого человека.

Для описания  некоего усредненного человека существующие "научные" компьютерные модели в медицинской практике использовать нельзя, потому что они не учитывают индивидуальные различия в работе ионных каналов. Российские и американские биологи и математики решили эту проблему, разработав сразу два подхода к моделированию электрической активности сердца.

Первый подход основан на эволюционных алгоритмах, которые анализируют записи электрической активности сердца пациента при разных нагрузках и используют их для того, чтобы постепенно создать точную модель работы этого органа. Такой подход работает достаточно хорошо, но медленно. Кроме того, с его помощью нельзя получить однозначный результат. У второго подхода подобных недостатков нет. Он опирается на то, насколько активно различные гены, связанные с работой ионных каналов, действуют в клетках сердца пациентов.

Разработкой новых подходов вместе с учеными МФТИ и Университета Дж. Вашингтона (CША) занимаются сотрудники лаборатории «Экстремальная биология» ИФМиБ КФУ, которой руководит Олег Гусев .

«На основе совмещения данных электрических колебаний в клетках сердца конкретных пациентов и профилирования экспрессии генов методом CAGE (кэп-анализ экспрессии генов) сердечной мышцы этих же доноров был значительно улучшен алгоритм для моделирования активности сердца, с использованием профиль работы генов, – рассказывает О.Гусев. - В данном исследовании основное внимание было уделено экспрессии РНК-генов кодирующих ионных каналов. Использование CAGE позволило получить более детальную картину работы генов, детализировав ее до уровня отдельных промоторов, которых у одного гена может быть несколько. Эта  работа является первой в цикле программы совместных исследований КФУ-РИКЕН-МФТИ-Университет Дж.Вашингтона (лаборатория Игоря Ефимова) в области генетики сердца.

Совместные исследования были инициированы по линии взаимодействия КФУ c cообществом русскоязычных ученых RASA. Образцы донорских сердечных тканей и профили активности сердца были получены из донорский центров в США и профилированы на базе лаборатории КФУ-РИКЕН в Японии. Биоинформатическая обработка данных велась лабораторией “Экстремальная биология” в КФУ, а интеграцию данных и создание модели проводили исследователи МФТИ».