Компьютерное моделирование электрической активности кардиомиоцитов
Аннотация
Ключевые слова: моделирование, математическая биология, популяционное моделирование, Myokit, кардиомиоцит, потенциал действия, старение, дофетилид.
Предметом исследования является разработка вычислительной технологии проведения больших серий численных экспериментов на популяциях моделей сердечных клеток для решения разнообразных исследовательских задач, в том числе для анализа механизмов старения сердечных клеток и предсказания последствий возрастных изменений функции клетки.
Цель исследования: разработать вычислительную технологию для популяционного математического моделирования функции клеток сердца и применить ее для оценки комплексного воздействия на электрофизиологию кардиомиоцитов предсердий человека естественных процессов старения и антиаритмических препаратов.
По результатам исследования опубликована 1 работа с индексацией в Scopus и Web of Science Core Collection, 1 работа с индексацией в Scopus, а так же 1 работа подана к рецензированию.
Методология популяционного моделирования заключается в независимом расчете множества математических моделей и анализе результатов статистическими методами.
В рамках поставленной цели был разработан поток вычислительных работ на основе библиотек Luigi и Myokit, а так же Numpy, PyDOE, Matplotlib и др. Предложенное техническое решение использует вычислительные ресурсы центрального процессора и ускорителей вычислений, поддерживающих технологию OpenCL. Оно способно работать как на машине пользователя под управлением Linux, так и на суперкомпьютере и в облачном окружении. Большая роль уделена визуализации полученных результатов.
Реализованный поток вычислительных работ содержит следующие математические методы. Создание выборки пространства параметров методом латинского гиперкуба. Расчет популяции модели прямым методом Эйлера. Отсечение популяции моделей с использованием правил принятия-отклонения. К полученным результатам моделирования применялись стандартные статистические методы анализа данных: рассчитывались средние, медианы, дисперсии, оценивались доверительные интервалы параметров, проводился корреляционный анализ.
Выделение биомаркеров для использования на практике проводилось с помощью оценок статистических дистанций. Использовалась дистанция между средними и расстояние Бхаттачарья. Так же была проведена оценка разделимости полученных распределений с использованием наивного Байесовского классификатора и корреляционного коэффициента Мэтьюса.
Для создания пространства вариации параметров модели мы провели литературный обзор более чем 30 источников. Суть нашего исследования заключается в использовании разработанного потока вычислительных работ для переноса известных физиологических механизмов старения кардиомиоцитов предсердий собаки на математические модели предсердных кардиомиоцитов человека. А также проверка воздействия на популяции таких моделей Дофетилида – антиаритмического препарата 3 класса, продлевающего потенциал действия в клетках миокарда.
В результате исследования мы показали, что популяции моделей способны воспроизводить и предсказывать возрастные изменения электрофизиологических биомаркеров. Также мы продемонстрировали, что эффективность дофетилида как антиаритмического препарата снижается с увеличением возраста.
Предметом исследования является разработка вычислительной технологии проведения больших серий численных экспериментов на популяциях моделей сердечных клеток для решения разнообразных исследовательских задач, в том числе для анализа механизмов старения сердечных клеток и предсказания последствий возрастных изменений функции клетки.
Цель исследования: разработать вычислительную технологию для популяционного математического моделирования функции клеток сердца и применить ее для оценки комплексного воздействия на электрофизиологию кардиомиоцитов предсердий человека естественных процессов старения и антиаритмических препаратов.
По результатам исследования опубликована 1 работа с индексацией в Scopus и Web of Science Core Collection, 1 работа с индексацией в Scopus, а так же 1 работа подана к рецензированию.
Методология популяционного моделирования заключается в независимом расчете множества математических моделей и анализе результатов статистическими методами.
В рамках поставленной цели был разработан поток вычислительных работ на основе библиотек Luigi и Myokit, а так же Numpy, PyDOE, Matplotlib и др. Предложенное техническое решение использует вычислительные ресурсы центрального процессора и ускорителей вычислений, поддерживающих технологию OpenCL. Оно способно работать как на машине пользователя под управлением Linux, так и на суперкомпьютере и в облачном окружении. Большая роль уделена визуализации полученных результатов.
Реализованный поток вычислительных работ содержит следующие математические методы. Создание выборки пространства параметров методом латинского гиперкуба. Расчет популяции модели прямым методом Эйлера. Отсечение популяции моделей с использованием правил принятия-отклонения. К полученным результатам моделирования применялись стандартные статистические методы анализа данных: рассчитывались средние, медианы, дисперсии, оценивались доверительные интервалы параметров, проводился корреляционный анализ.
Выделение биомаркеров для использования на практике проводилось с помощью оценок статистических дистанций. Использовалась дистанция между средними и расстояние Бхаттачарья. Так же была проведена оценка разделимости полученных распределений с использованием наивного Байесовского классификатора и корреляционного коэффициента Мэтьюса.
Для создания пространства вариации параметров модели мы провели литературный обзор более чем 30 источников. Суть нашего исследования заключается в использовании разработанного потока вычислительных работ для переноса известных физиологических механизмов старения кардиомиоцитов предсердий собаки на математические модели предсердных кардиомиоцитов человека. А также проверка воздействия на популяции таких моделей Дофетилида – антиаритмического препарата 3 класса, продлевающего потенциал действия в клетках миокарда.
В результате исследования мы показали, что популяции моделей способны воспроизводить и предсказывать возрастные изменения электрофизиологических биомаркеров. Также мы продемонстрировали, что эффективность дофетилида как антиаритмического препарата снижается с увеличением возраста.