i

Aktuální číslo:

2022/5

Téma měsíce:

3D tisk

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

Diskuse: Green Deal v době (post)válečné

Diskuse: Green Deal v době (post)válečné

 |  4. 5. 2022
Všechny zájemce o širší souvislosti mezi vědou a světovým děním zveme na veřejnou diskusi o transformaci energetiky pod tlakem klimatické změny...
Realita dohnala fikci

Realita dohnala fikci

Luděk Míka  |  2. 5. 2022
Chcete-li někomu dát originální dárek, nechte se sníst. Předchází tomu naskenování sebe samého do paměti počítače, vymodelování ve speciálním...
Krokodýlové v Čechách 2.0

Krokodýlové v Čechách 2.0

Milan Chroust  |  2. 5. 2022
„Zaslechne-li někdo známý popěvek ‚Na řece Vltavě plave krokodil‘, pomyslí si, že to nesmysl.“ Těmito slovy před 119 lety uvedl paleontolog...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné