Kiedy matematyka przychodzi z pomocą arytmii serca

Nowy model matematyczny może pozwolić scharakteryzować aktywość wapnia w komórkach serca. A to z kolei pozwoli lekarzom lepiej zrozumieć niektóre arytmie serca, takie jak migotanie przedsionków. Obliczenia te, mimo że teoretyczne, mogą skutkować opracowaniem nowych leków. Prace te ukazały się w naukowym przeglądzie PNAS.

Bicie serca przebiega wieloetapowo. Na początku, przedsionki wypełniają się krwią, a następnie się ściągają, aby wysłać ciecz do następnej komory, która również się skurcza i wyrzuca swoją zawartość do obiegu krążenia. Serce odpoczywa, a w tym czasie przedsionki na nowo napełniają się krwią.

Aby serce mogło optymalnie funkcjonować, wszystkie fazy muszą być dobrze skoordynowane. A tak się nie dzieje w przypadku arytmii. Najczęstszą anomalią rytmu serca jest migotanie przedsionków, które właśnie oznacza dezorganizację komórek przedsionków. W konsekwencji, przedsionki biją nierówno.

W miarę upływu czasu, dolegliwość ta może spowodować poważne problemy, takie jak zawał serca. Skurcze komórek przedsionków zależą od stężenia wapnia międzykomórkowego. Ale kwestia ta jest bardzo złożona i aktualne techniki nie pozwalają zwizualizować tych zmiennych w każdym punkcie komórki.

Naukowcy próbują więc posłużyć się modelami, aby lepiej określić te ruchy wapnia. A badacze z brytyjskiego uniwersytetu w Nottingham właśnie przestawili model matematyczny, który ma pozwalać na bardziej precyzyjne określenie aktywności calcium.

Te dodatkowe dane mogą posłużyć, jak spodziewają się naukowcy, do opracowania nowych leków przeciwko tym chorobom serca.

Panika w sercu

W skali całego życia ludzkiego, serce może wykonać ponad 2 000 000 000 takich skurczów, opisanych powyżej. To właśnie komory mają za zadanie wysyłać krew do tętnic, ale w trakcie wysiłku fizycznego, przedsionek wspiera je, dodając im dodatkowej siły.

Z wiekiem, albo w przypadku dysfunkcji, komórki przedsionka mogą ulec zniszczeniu, a więc nie są w stanie wspierać komory w jej pracy, kiedy zaistnieje taka potrzeba. Wiele badań już wykazało, że aby doszło do skurczu komórek przedsionka, stężenie wapnia musi być ściśle określone, ponieważ zmienia się ono w przestrzeni i w czasie na łonie jednej i tej samej komórki.

Nie stwierdzono tego natomiast w komórkach komór serca, gdzie stężenie wapnia pozostaje jednolite. Podstawową kwestią jest więc zrozumienie tego procesu z punktu widzenia globalnego, w skali komórki.

Matematyczny model serca

Model zaproponowany przez naukowców brytyjskich sprawia, że ten wyczyn jest możliwy. Pozwala on bowiem na szczegółową oberwację tych zmian w stężeniu wapnia, które zachodzą w czasie i przestrzeni, i które są związane z sytuacjami zdrowymi i patologicznymi, jak wyjaśnia jeden z naukowców, którzy stoją za tymi pracami, Rüdiger Thul.

Poza tym, możemy aktywować, dezaktywować oraz powodować nadekspresję komórkową, a także obserwować, w jaki sposób zachowuje się wapń. Możemy z tego wydedukować jakie warunki przyczyniają się do pojawiania się tych anomalii, które mogą prowadzić do niektórych patologii, takich jak migotanie przedsionków, kontynuuje brytyjski matematyk.

Należy jeszcze pamiętać, że lek działa zawsze na poziomie komórki. Dany organ ma się lepiej, kiedy miliony, albo nawet miliardy jego części składowych zdrowieją. Model matematyczny pozwala dysponować modelem komórkowym, kompletnym i w 3D. A w ten sposób, naukowcy mają szansę spróbować opracować całkiem nowe leki.