Учёные Московского физико-технического института (МФТИ) научили нейросеть строить детальную карту пораженных и здоровых клеток тканей сердца по данным микроскопии. Разработка сотрудников лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ поможет хирургам точно определять картину болезни и планировать лечение пациентов с фиброзом сердца.
Что такое «цифровой двойник» сердца и зачем он нужен?
Миллионы людей во всём мире страдают от фибрилляции предсердий — опасной аритмии, которую часто вызывает фиброз, то есть разрастание рубцовой ткани в сердце. Главная сложность в том, что у каждого пациента картина фиброза уникальна. Чтобы выбрать правильную тактику лечения — будь то операция или препараты, — врачам необходимо понимать её на клеточном уровне. Новая технология МФТИ решает эту задачу, создавая точную цифровую копию (модель) ткани предсердия конкретного человека.
Алгоритм, обученный на сотнях снимков тканей сердца с конфокального микроскопа и данных пациентов из клиник, анализирует микроскопические изображения. Он обнаруживает малейшие изменения и с высокой точностью воссоздаёт расположение всех элементов: здоровых кардиомиоцитов (клеток мышцы сердца, показаны розовым), коллагеновых волокон (жёлтый) и поражённых фиброзом клеток (синий), где нарушено проведение электрических импульсов.
Это не просто красивая картинка, в перспективе каждый такой «цифровой двойник» сердца может спасти десятки пациентов, страдающих от фиброза, от повторных операций и осложнений»,
объяснил старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ Михаил Словицкий.
Как модель помогает понять болезнь и действие лекарств?
Созданную компьютерную модель можно использовать как «черновик» для виртуальных экспериментов. Учёные уже применили её, чтобы исследовать, как фиброз приводит к аритмии и как на этот процесс влияет препарат верапамил.
Исследование выявило два ключевых момента. Во-первых, оказалось, что сам по себе фиброз не всегда приводит к стойким нарушениям ритма. Опасной ситуация становится, когда он сочетается с изменённой электрофизиологией клеток после длительной фибрилляции предсердий. Во-вторых, верапамил показал разный эффект: в модели с нормальной электрофизиологией он повышал риск аритмии, а в ткани, уже поражённой длительной аритмией, — подавлял опасные импульсы. Это наглядно показывает, что эффективность лекарства может полностью зависеть от индивидуального состояния сердца пациента.
Будущее: от микроскопии к МРТ и персонализированной медицине
Сейчас технология работает с данными микроскопии, но учёные планируют значительно её расширить.
В будущем мы планируем обучить ИИ строить такие карты на основе данных КТ, а затем и МРТ-снимков. Наш метод поможет видеть картину болезни с точностью, сопоставимой с гистологическим исследованием, но делать это безболезненно и неинвазивно
добавила заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Валерия Цвелая.
Таким образом, разработка МФТИ — это важный шаг к персонализированной кардиологии. В перспективе она позволит хирургам планировать вмешательства с ювелирной точностью, а кардиологам — тестировать действие терапии на цифровой копии сердца пациента, чтобы подобрать максимально эффективное и безопасное лечение.