Искусственный интеллект создает детализированную цифровую копию сердечной ткани для точной диагностики и планирования лечения фиброза.
Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) разработали инновационную нейросеть, способную строить высокоточные карты здоровых и пораженных фиброзом клеток сердечной ткани, используя данные микроскопии. Эта передовая компьютерная модель позволила ученым углубленно изучить механизмы возникновения аритмии в результате фиброза и оценить воздействие на этот процесс препарата верапамила. Подобная разработка обещает значительную помощь хирургам, предоставляя не только детализированную картину заболевания для диагностики, но и инструмент для оптимального планирования хода лечения.
Михаил Словицкий, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ, подчеркивает значимость проекта: «Это не просто эффектное изображение; в перспективе каждый такой „цифровой двойник“ сердца может спасти десятки жизней пациентов, страдающих от фиброза, предотвращая повторные операции и связанные с ними осложнения».
Для создания столь подробного изображения ученые проанализировали сотни снимков сердечных тканей, полученных с конфокального микроскопа, а также аннотированные гистологические данные пациентов с фибрилляцией предсердий. Эти данные были предоставлены ГКБ №23 им. И. В. Давыдовского и ГБУЗ МО МОНИКИ им. М. Ф. Владимирского. На основе обширного массива информации был разработан алгоритм, который способен выявлять малейшие изменения на клеточном уровне и с высокой точностью воссоздавать расположение фиброзных волокон у каждого конкретного пациента.
Валерия Цвелая, заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ, детализирует: «На этой карте розовым цветом представлены кардиомиоциты — это здоровые клетки соединительной ткани, которые отвечают за проведение электрических импульсов. Желтым цветом отмечены коллагеновые волокна, а синим — фибробласты, клетки, пораженные фиброзом, где нарушается нормальное проведение импульсов. На данный момент мы получили только первое тестовое изображение на основе микроскопии. В будущем мы планируем обучить ИИ формировать подобные карты, используя данные компьютерной томографии, а затем и магнитно-резонансной томографии. Наш метод позволит получать картину заболевания с точностью, сопоставимой с гистологическим исследованием, но безболезненно и неинвазивно».
Фото: МФТИ
Подобная «виртуальная копия» ткани предсердия может быть эффективно использована хирургом не только на этапе планирования сложных операций, но и в качестве своего рода «черновика» для исследования влияния различных медикаментозных препаратов на пораженную область.
Миллионы людей по всему миру страдают от фибрилляции предсердий — состояния, характеризующегося разрастанием рубцовой ткани, что нарушает нормальное проведение электрических импульсов и приводит к развитию аритмии. Основная сложность в лечении заключается в уникальной картине развития фиброза у каждого пациента, что требует от хирургов ориентироваться в изменениях на клеточном уровне для выбора наиболее адекватной тактики.
Компьютерная модель, разрабатываемая учеными МФТИ, призвана решить эту сложную задачу. В ходе недавнего исследования с ее помощью уже удалось детально сравнить особенности распространения электрических импульсов в сердце при фиброзе и проверить, как на этот процесс влияет препарат верапамил.
В результате исследования было обнаружено, что сам по себе фиброз не всегда является прямой причиной нарушений сердечного ритма, если электрические свойства клеток сердца остаются в пределах нормы. Однако длительная фибрилляция предсердий представляет серьезную опасность: когда происходит изменение электрофизиологии клеток, фиброз превращается в «проводник» для хаотических электрических волн, вызывая устойчивую аритмию.
Фото: МФТИ
Важным открытием стало и влияние верапамила. В моделях с нормальной электрофизиологией сердца этот препарат, как ни парадоксально, повышал риск аритмии при наличии фиброза. Зато у пациентов с длительной фибрилляцией предсердий верапамил продемонстрировал способность восстанавливать нормальное проведение импульсов, подавляя опасные циркулирующие волны возбуждения. Этот результат еще раз подтверждает критическую важность знания точной картины болезни для эффективного использования тех или иных препаратов.
Новая технология представляет собой значительный шаг на пути к персонализированной кардиологии. В будущем она позволит хирургам планировать операции с учетом мельчайших индивидуальных особенностей строения сердечной ткани каждого пациента и подбирать фармакотерапию, основываясь на прогнозируемом моделью действии лекарственных средств.
Статья подготовлена при поддержке Московского физико-технического института (МФТИ).
