i

Aktuální číslo:

2021/1

Téma měsíce:

Roboti

Srdce v křemíku

 |  13. 7. 2020
 |  Vesmír 99, 464, 2020/7

Jak nám výpočetní modelování pomáhá pochopit srdeční arytmie či testovat bezpečnost léků.

Výzkumné úsilí posledních padesáti let vygenerovalo ohromné množství dat, která popisují širokou škálu procesů probíhajících v srdci, od vnitrobuněčné signalizace po propojení buněk a jejich vzájemnou komunikaci. Přirozená řečnická otázka je, zdali není možné všechna tato data vzít a zrekonstruovat srdeční buňku či srdce v počítači, a na takové simulované buňce pak provádět experimenty. Odpověď je: V podstatě to už pro mnoho účelů možné je.

Výhody simulace

Zároveň má taková počítačová simulace mnoho výhod. Na rozdíl od živého experimentálního systému je plně pozorovatelná (vidíme, co přesně se v simulovaných buňkách odehrává) a plně ovladatelná (simulované buňky lze ovládat způsoby, kterých v laboratoři neumíme dosáhnout). Výzkum živého orgánu má navíc jistou nepříjemnou vlastnost: původnímu majiteli se po vyjmutí srdce obtížně pokračuje v životě. Alternativou k využití celého orgánu je studium izolovaných buněk, ale to zase komplikuje jejich značná křehkost, která omezuje počet proveditelných měření. Výpočetní modely těmito problémy vůbec netrpí: virtuální srdce se dá libovolněkrát kopírovat a je možné simulovat libovolný počet experimentů. V článku se pokusím nastínit některé praktické aplikace srdečního modelování a naznačit, jak se propojují s experimentálním a klinickým výzkumem.

Než se dostaneme k srdci v počítači, jen stručně o tomto orgánu v lidském těle. Před každým úderem v určité oblasti srdce (v sinoatriálním uzlu) vzniká pravidelný elektrický stimul, který se následně rozvádí do dalších srdečních oblastí.1) Tato elektrická vlna procházející srdcem postupně aktivuje svalová vlákna a nepřímo způsobuje jejich stah (kontrakci), na buněčné úrovni stimuluje buňky srdečního svalu (myocyty) k vlastní elektrické aktivaci zvané akční potenciál2) (obr. 2A). Tehdy se otevřou kalciové kanálky v membráně buňky a proud kalciových iontů do myocytu přivádí vnitrobuněčné zásoby dalšího kalcia. To působí na sarkomery (kontraktilní jednotky uvnitř myocytů) a nastane stah aktivované buňky. Po průběhu elektrické vlny a po kontrakci (systole) se elektrická informace i úroveň kalcia vracejí na původní klidovou hodnotu a srdeční sval se uvolňuje (diastola).

Porozumění vzniku arytmií

Nyní vidíte 21 % článku. Co dál:

Jsem předplatitel, mám plný přístup
Jsem návštěvník
Chci si přečíst celé číslo
Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru. Více o předplatném
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Medicína, Matematika, Informatika

O autorovi

Jakub Tomek

Jakub Tomek (*1988) absolvoval magisterské studium teoretické informatiky na Matematicko-fyzikální fakultě UK. Jelikož ho silně přitahovalo propojení informatiky a přírodních věd, rozhodl se pokračovat doktorátem na Oxfordské univerzitě, kde je taková kombinace hojně rozvíjena. V současnosti se jako postdok v Oxfordu věnuje kardiologii, kde kombinuje výpočetní modelování arytmií s experimentálním výzkumem v laboratoři.
Tomek Jakub

Doporučujeme

Jeden trhák, co zaplatí náklady

Jeden trhák, co zaplatí náklady

Eva Bobůrková  |  4. 1. 2021
Po vysoké škole aspirantura, pak vojenská služba, návrat do ústavu na jaře 1987. Ale pak přišla turbulentní devadesátá léta. „V roce 1992 jsem se...
Autonomní zabijáci

Autonomní zabijáci

David Černý  |  4. 1. 2021
O životě a smrti na bitevním poli stále ještě rozhoduje člověk, i když samotné provedení smrtícího útoku se čím dál více svěřuje dronům a moderním...
Kriminalizace amatérské entomologie

Kriminalizace amatérské entomologie

Sběr a výzkum hmyzu má v České republice pevné kořeny a dlouholetou tradici. V současné době však zažívá těžké časy. Kromě odlivu zájmu mladých...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné