Srdce v křemíku

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).

2A. Akční potenciál lidského simulovaného myocytu a několik měření izolovaných lidských buněk. 2B. Ukázka rané afterdepolarizace – akční potenciál zpočátku probíhá jako obvykle, ale okolo čtyřsté milisekundy nastává reaktivace. Název afterdepolarizace vychází z toho, že k depolarizaci (zvýšení membránového potenciálu) dochází po „normální“ depolarizaci buňky. Rozlišují se dva druhy: raná (znovuaktivace stále aktivované buňky) a pozdní (nastávající až po návratu buňky do klidového stavu a membránového potenciálu pod –80 mV). Oba typy se značně liší příčinami.

Porozumění vzniku arytmií