В последнее время медицина все охотнее и охотнее берет себе в помощь методы из самых разных научных направлений. Так, математика помогает создать модели той или иной системы человеческого организма, чтобы потом «протестировать» на них лекарственные препараты.

Специалисты из лаборатории биоинформатики Института вычислительных технологий СО РАН разрабатывают программное обеспечение для создания моделей организма человека и его частей, например, сердечно-сосудистой системы. Основной подход здесь — модульный: разные блоки, представляющие сердце, венозную либо артериальную системы и т.д. объединяются в единую структуру аналогично большим программным комплексам. Для этого специалисты используют описанные в литературе модели, которые затем перерабатывают и объединяют. Эти модели заболевания основываются на уравнениях и алгоритмах, выводимых на основе экспериментальных количественных данных.
 
Универсальных моделей не существует, и ученые зачастую придумывают для каждого заболевания свою, используя уже устоявшиеся подходы. Они внедряют собственные идеи, модифицируют уравнения по экспериментальным данным и в результате получают новую модель. Подобные структуры вносят значимый вклад в изучение ряда заболеваний и могут помочь совершенствовать методы их лечения.
 
— Математическая модель каждой подсистемы в организме чаще всего представляет собой набор дифференциальных, реже — алгебраических уравнений, — рассказывает научный сотрудник ИВТ СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Николаевич Киселев. — Значения параметров берутся из уже существующих моделей или модифицируются для соответствия особенностям реального организма. Например, если надо повысить давление в сосудах (чтобы оно было как у гипертоника), можно увеличить значение жесткости их стенок либо сделать сосуд более узким, уменьшив определенный показатель. Однако очень редко, когда неясно направление работы, ученым приходится заниматься подбором параметров вручную. 
 
Для этого используются различные постановки и методы решения обратных задач. Например, задаются наблюдаемые показатели человека (предположим, давление 140/100 с релаксацией к нормальному состоянию), а дальше специальные алгоритмы находят значения параметров, при которых модель продемонстрирует такое же поведение. Алгоритмы позволяют рассчитать значения, которые нельзя узнать непосредственно у человека — либо абстрактные, либо сложно измеряемые: общее периферическое сопротивление сосудов, их жесткость, ударный и минутный объем сердца. В результате реально предсказать параметры, которые влияют на степень воздействия лекарства, реакцию организма на физическую нагрузку или другие условия. Подобная модель, по сути, гипотеза о том, как определенные механизмы в организме связаны с наблюдаемыми параметрами. Если модель близка к реальности, она позволяет не только изучить эти механизмы, но и отрегулировать их, «ввести лекарство» и увидеть, какие характеристики в системе влияют на его действие и эффективность. 
 
— Для валидации математических моделей нами используется популяционный подход, когда моделируется сразу несколько организмов, — добавляет Илья Киселев. — Допустим, есть модель организма с какими-то параметрами: жесткость сосудов, объем желудочка сердца и другие индивидуальные ключевые характеристики человека. Мы создаем множество подобных персонифицированных моделей, где каждая представляет отдельного человека, а их совокупность является популяцией, после чего исследуем влияние параметров на характеристики популяции в целом. Это позволяет оценить качество математических моделей на основе данных статистических медицинских наблюдений. 
 
 
 
 
Сейчас ученые ИВТ СО РАН по проекту, поддержанному грантом РФФИ, исследуют воздействие на «организм» различных препаратов — в частности, «Алискирена» для лечения артериальной гипертонии. Специалисты уже научились генерировать популяции таким образом, чтобы они соответствовали реальным по таким наблюдаемым показателям, как давление, объем крови и т.д.
 
— Мы работаем совместно с Институтом математики им. С. Л. Соболева СО РАН и Научно-исследовательским институтом физиологии и фундаментальной медицины, — добавляет Илья Киселев. — Медики предоставляют нам данные о пациентах, ИМ СО РАН разрабатывает модели сосудистого русла (сети), а мы объединяем ее с другими моделями — сердца, почки, вплоть до отдельных клеток. Организм описывается в разных масштабах: от целых органов до молекулярного уровня.
 
Сейчас ученые уже сгенерировали виртуальную популяцию на основе базы данных медицинских обследований и сопоставили модельные и реальные значения систолического и диастолического давления: как выяснилось, эти показатели хорошо предсказываются построенной учеными из ИВТ СО РАН моделью. Однако для пульсового давления таких результатов достичь не удалось, что парадоксально, так как оно характеризуется разницей между систолитическим и диастолитическим. 
 
— Мы выбрали сердце и кровеносные сосуды, потому что это хорошо изученная система, для которой делают много моделей, но, несмотря на это, заболеваемость и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в мире продолжает оставаться на первом месте, — заключает ученый. — Таким образом, нужны новые модели. Важность этого труда в том, что разрабатываемые нами модульные модели сердечно-сосудистой системы из нескольких частей могут открыть новые возможности по персонализации лечебных процессов. В мире есть похожие работы, но они появились буквально в последние несколько лет — сейчас в математическом моделировании это своего рода тренд. В любом случае, о подобных моделях и программных системах в России мне не известно.
 
Алёна Литвиненко

Источники

Организм, составленный из уравнений
Наука в Сибири (sbras.info), 22/01/2018
Илья Киселев: наши модульные модели откроют новые возможности по персонализации лечебных процессов
Новости сибирской науки (sib-science.info), 22/01/2018
Сибирские ученые моделируют сердечно-сосудистую систему
Infopro54.ru, 22/01/2018
Организм состоит из математических уравнений
Русская планета (rusplt.ru), 23/01/2018
Организм, составленный из уравнений
Академгородок (academcity.org), 24/01/2018
Новосибирские ученые создают модели сердечно-сосудистой системы, чтобы "протестировать" на них лекарственные препараты
ИА МАНГАЗЕЯ (mngz.ru), 24/01/2018
Новосибирские ученые создают модели сердечно-сосудистой системы, чтобы "протестировать" на них лекарственные препараты
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 24/01/2018
Новосибирские ученые создают модели сердечно-сосудистой системы, чтобы "протестировать" на них лекарственные препараты
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 24/01/2018
В ИВТ СО РАН создают матмодели организма человека и его частей
Русский переплет (pereplet.ru), 30/01/2018
В ИВТ СО РАН создают матмодели организма человека и его частей
Научная Россия (scientificrussia.ru), 29/01/2018
Организм, составленный из уравнений
Nanonewsnet.ru, 30/01/2018

Похожие новости

  • 21/10/2016

    Сергей Кабанихин: решение обратных задач важно для человечества

    ​Говорят, рассуждение Платона о том, что человечеству в процессе познания порой доступны только тени на стене пещеры и эхо, явилось предвестником решения Аристотелем задачи восстановления формы Земли по ее тени на Луне.
    2489
  • 09/11/2017

    Опубликованы итоги конкурса проектов комплексных междисциплинарных фундаментальных научных исследований (Комфи) 2017 года

    На сайте Российского фонда фундаментальных исследований опубликованы итоги конкурса проектов комплексных междисциплинарных фундаментальных научных исследований «Молекулярные основы функционирования живых систем» (Комфи) 2017 года.
    468
  • 27/10/2015

    В Академпарке открывается первая в России конференция по биомедицинской инженерии и вычислительным технологиям в биологии и медицине

    ​28 октября в Технопарке Новосибирского Академгородка стартует SIBIRCON/SibMedInfo - 2015 - крупнейшая конференция по биомедицинской инженерии, проводимая в России под эгидой международной ассоциации специалистов в области техники Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
    1604
  • 15/10/2015

    Международная конференция математиков в честь 90-летия академика Г. И. Марчука

    ​19-23 октября в новосибирском Академгородке будет проходить Международная конференция "Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики - 2015" (АПВПМ-2015), посвященная 90-летию со дня рождения академика Гурия Ивановича Марчука.
    1520
  • 07/02/2017

    Новосибирские ученые моделируют болезнь

    ​Работая с пациентом, врач анализирует симптомы, определяет заболевание и прописывает лекарства, но стандартная схема лечения эффективна не для всех. Дело в том, что организм каждого человека имеет свой иммунный ответ, зависящий от истории болезней и характеристик иммунокомпетентных клеток.
    726
  • 18/07/2016

    Сергей Гончаров: без фундаментальной науки не будет прогресса

    ​Драйверами модернизации экспортно ориентированных производств России могут стать перспективные направления фундаментальной, или, как еще ее называют, "чистой", науки.  В связи с этим особенно важно решить вопросы финансирования и правильного определения приоритетных направлений развития фундаментальных исследований.
    1383
  • 15/12/2016

    2,4 га будут переданы сотрудникам 30-ти институтов Сибирского отделения РАН

    ​В Новосибирской области на территории Академгородка, одного из важнейших научных центров России, к 2021 году будут построены три многоквартирных жилых дома для 311 работников 30 институтов Сибирского отделения Российской академии наук, являющихся участниками жилищно-строительного кооператива "Бозон".
    1488
  • 07/05/2016

    О событиях студенческой науки на кафедре математического анализа АлтГУ

    ​Научное исследование магистров кафедры математического анализа факультета математики и информационных технологий АлтГУ​ Павла Николаевича Клепикова и Светланы Владимировны Клепиковой получило диплом второй степени и признание коллег-математиков в конкурсе научных работ Международной научной студенческой конференции - 2016 по секции "Геометрия и топология".
    1492
  • 13/01/2015

    Академик Искандер Асанович Тайманов - об основных тенденциях математики

    ​Заведующий лабораторией динамических систем Института математики им. С.Л. Соболева академик Искандер Асанович Тайманов рассказал редакции "Науки в Сибири" об основных тенденциях этой точной науки.
    926
  • 10/01/2017

    Академику Николаю Колчанову исполнилось 70 лет

    ​Николай Александрович Колчанов родился 9 января 1947 года в с. Кондрашино Омской области. В 1971 году окончил Новосибирский государственный университет. С 1974 года работает в Институте цитологии и генетики СО РАН, а с 2008 года - директор этого института.
    1169