При инфаркте миокарда из-за остро возникшей недостаточности кровотока, при которой нарушается доставка кислорода к сердцу, наблюдается некроз сердечной мышцы. Для исследования возникновения и развития патологии в будущем могут применяться сложные численные алгоритмы и модели, в основе которых должны быть учтены механические свойства мягких тканей сердца. Ученые из Южной Африки совместно с коллегами из Пермского Политеха провели комплексное исследование механических свойств разных отделов сердца и оценили их деформационные свойства при различных видах нагрузки. Результаты продемонстрировали различие в механических свойствах тканей миокарда левого и правого желудочков и межжелудочковой перегородки, а также влияние структуры (ориентация волокон) этих участков на их отклик при растяжении в продольном и окружном направлениях.
Статья опубликована в высокорейтинговом журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Пермского края в рамках реализации конкурса международных исследовательских групп.
Работа сердца зависит от сложного взаимодействия и сократительной способности разных отделов: двух предсердий, двух желудочков, и сердечных стенок между ними. Для исследования деформационных свойств мягких тканей сердца часто используют образцы, взятые у овец или крупного рогатого скота из-за их анатомического и биомеханического сходства с тканями человека. Однако в основном исследователями проводятся лишь одноосные испытания, то есть ученые рассматривают биомеханическое поведение тканей под нагрузкой лишь в одном направлении, в то время как в реальных физиологических условиях сердце деформируется более сложным образом.
Ученые Южной Африки совместно с коллегами из Пермского Политеха провели комплексные экспериментальные исследования механического поведения миокарда левого и правого желудочков, играющего важную роль при сокращении сердца, а также перегородки между ними с помощью двухосных испытаний на растяжение. Исследование помогло оценить значения характеристик жесткости/податливости мягких тканей при растяжении в двух направлениях.
Для экспериментов исследователи отобрали десять сердец овец. Сначала их помещали в раствор хлорида натрия, нагретый до температуры 37°С, и вырезали квадратные образцы размером 18 на 18 миллиметров из левого и правого желудочков и межжелудочковой перегородки. Во время испытания каждый образец подвергали растяжению в продольном и окружном направлениях до деформации на 40%, имитируя естественные нагрузки во время работы сердца. Таким образом, удалось измерить жесткость тканей, их способность к деформации и выявить зависимость их механических свойств от направления нагрузки.
– Мы выявили значительные различия в биомеханическом отклике образцов в продольном и окружном направлениях. Самые высокие значения модуля Юнга (физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться нагрузке) в исследуемых направлениях были получены для образцов ткани миокарда левого желудочка, что показывает его способность выдерживать бóльшую нагрузку.
С другой стороны, миокард правого желудочка была выявлена бóльшая накопленная энергия деформации. У тканей межжелудочковой перегородки наблюдались промежуточные свойства – меньшая жесткость и более низкая накопленная энергия деформации в сравнении с показателями левого и правого желудочков. Это связано со структурными особенностями строения (в частности, влияние ориентации коллагеновых волокон) данных элементов сердца. Работа по исследованию механических свойств имеет решающее значение для разработки цифровых двойников сердца, – рассказывает Алексей Кучумов, заведующий лабораторией биожидкостей ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Комплексное исследование ученых Пермского политеха и Южной Африки открывает новые возможности в изучении сердечно-сосудистых заболеваний и разработке новых цифровых двойников для краткосрочного и долгосрочного прогнозирования методов их лечения.