«Важно знать, можно ли дать шанс даже «трудным» пациентам, которым низковольтная терапия не помогает. Один из вариантов – использовать какие-либо лекарства перед электролечением. Мы провели исследование нескольких препаратов и выяснили, что на модели лучше всего действуют антиаритмические препараты 1 класса – блокаторы натриевых каналов», – рассказывает Сергей Правдин, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий сектором математического моделирования в кардиологии Института математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН.
Когда сердце перекачивает кровь, очень важно, чтобы все его части работали согласованно и ритмично. Частота пульса задается водителем ритма – скоплением особых клеток в сердечной мышце, расположенных в правом предсердии. Эти клетки самостоятельно меняют свой электрический потенциал, обмениваясь ионами (натрия, кальция и калия) с жидкостью, находящейся между клетками. Если потенциал повышен, водитель ритма возбуждается. Возбуждение передается всем остальным клеткам сердечной мышцы. Мышечная клетка сокращается, автоматически расслабляется и приходит в состояние электрического покоя. В конечном итоге каждая клетка переключается между возбуждением и покоем с той же частотой, что и водитель ритма. Если посмотреть на состояние клеток в сердце в целом, мы увидим волны, которые появляются, охватывают все сердце и угасают.
При некоторых нарушениях ритма, например фибрилляции сердца, возникают волны другой формы – спиральные, которые живут по своим «законам» и не имеют связи с волнами от водителя ритма. В области, охваченной спиральной волной, всегда часть клеток покоится, а часть – возбуждена. Из-за этого сердце может даже перестать перекачивать кровь, хотя каждая отдельная клетка работает очень интенсивно.
По статистике, 10–15% болезней сердца приходится именно на долю аритмий. В экстренных случаях, чаще всего, используют высоковольтную, или шоковую электротерапию, при которой через сердце пропускают ток при напряжении порядка сотен вольт в течение нескольких миллисекунд. Такое лечение не всегда эффективно и иногда требует серии импульсов нарастающей энергии, что сильно повреждает мышцу сердца. В последние годы набирает популярность щадящий метод лечения – низковольтная кардиоверсия-дефибрилляция: с вживленного под кожу пациента устройства на сердце подают серии импульсов небольшого напряжения, порядка 10 вольт. Но этот метод не всегда успешно работает, эффективность составляет около 70%.
Ученые Института математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН (Екатеринбург) и Гентского университета (Бельгия) выяснили, что мешать лечению могут динамические нестабильности. Они и порождают новые спиральные волны.
Эти нестабильности исследователи разделили на три группы. В одной группе случаев волна от электрода постепенно теряла скорость и частично прекращала движение далеко от начала спирали. В других случаях контуры спиральной волны вблизи ее начала деформировались из-за влияния волн от электрода. Наконец, были случаи, когда вместо обычного медленного дрейфа спираль «прыгала» в другое место ткани.
В работе ученые использовали компьютерное моделирование. Оно позволило детально исследовать, как электрические импульсы действуют на сердечную мышцу. Кроме того, компьютерные модели помогли увидеть влияние разных лекарств на ионные каналы, через которые клетка получает сигналы о том, что пора сокращаться.
«Вычисления показали, что эффективность низковольтной кардиоверсии-дефибрилляции может быть значительно повышена, если использовать блокаторы натриевых каналов. В то же время блокаторы калиевых и кальциевых каналов снижают эффективность такой терапии. Кроме того, мы предложили вычислительно экономный способ предсказания эффективности электротерапии при заданных параметрах модели клетки и заданном действии лекарств», – заключает Сергей Правдин.
Разрабатываемые в Институте математики и механики алгоритмы могут быть в перспективе использованы в клинической медицине для лечения опасных для жизни нарушений ритма сердца.
