Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Наши коллеги из Суперкомпьютерного центра Барселоны провели аналогичные исследования, чтобы проверить, могут ли потенциальные методы лечения COVID-19 вызывать проблемы с сердцем. Используя суперкомпьютер MareNostrum 4 в Барселоне, Жасмин Агуадо-Сьерра и Мариано Васкес изучили противомалярийные препараты хлорохин и гидроксихлорохин в рамках масштабной программы по расхламлению арсеналов старых лекарств в поисках тех, которые можно быстро перепрофилировать для борьбы с пандемией. В дополнение к крупным исследованиям они могли использовать математические модели, разработанные CiPA, для определения сердечной безопасности лекарств.

Моделирование показало, что при высокой частоте сердечных сокращений и высоких дозах хлорохин вызывает «блокаду проводимости левой ножки пучка Гиса»: активация одной из двух основных камер сердца (желудочков) задерживается, в результате чего левый желудочек сокращается позже, чем правый. Поскольку эта работа выявила риски, возникла более глубокая проблема. Крупное исследование пришло к выводу, что гидроксихлорохин связан с увеличением продолжительности пребывания в больнице и повышенным риском перехода к инвазивной искусственной вентиляции легких или смерти[327]. Препараты на его основе просто не работали. Виртуальное клиническое исследование дало результаты, удивительно схожие с недавно опубликованными клиническими данными[328].

Мы можем пойти еще дальше в виртуальном тестировании, проверяя лекарства, начиная с их химической структуры, на предмет способности вызывать смертельные аритмии. Чтобы связать точки атомных структур с белками, тканями и сердцебиениями, проявляющимися в виде градиентов электрической активности в моделируемой ткани, были задействованы различные суперкомпьютеры (Stampede2 в Остине, Comet в Сан-Диего, Blue Waters в Урбане-Шампейне и Anton 2 в Питтсбурге). Коллин Э. Клэнси, Игорь Воробьев и их коллеги из Калифорнийского университета в Дэвисе провели прямое сравнение электрокардиограмм моделируемой ткани и электрокардиограмм пациентов, принимавших эти препараты. Цель состояла в том, чтобы идентифицировать перспективные соединения с низким риском сердечной аритмии[329].

Они изучили калиевый канал hERG (человеческий ген специфических калиевых каналов сердца), который опосредует электрическую активность сердца, и на протяжении миллиардов временных шагов смогли смоделировать действие лекарства. Им удалось in silico смоделировать на клеточном и тканевом уровне, как лекарства диффундируют через мембраны и взаимодействуют с hERG в 165 виртуальных клетках сердца, ткани виртуального желудочка размером 5×5 см и клине ткани левого желудочка in silico.

Используя данные многомасштабного компьютерного моделирования, машинное обучение для определения необходимых и достаточных параметров, прогнозирующих уязвимость к аритмии, и достаточно высокопроизводительные вычисления, они смогли использовать эту многомасштабную модель, чтобы отличить препараты, удлиняющие интервал QT, такие как дофетилид, от безвредных, таких как моксифлоксацин[330]. Они также смогли предсказать, что дофетилид вызывает значительно большее удлинение интервала QT у женщин, что согласуется с клиническими и экспериментальными данными. Теперь мы можем выйти за рамки моделирования сердечной ткани и создать виртуальный орган. В седьмой главе мы обсуждаем, как построить виртуальное сердце.

Навстречу виртуальной клетке

Раньше мы думали, что в человеческом организме около 200 разновидностей клеток. Сегодня мы знаем, что их гораздо больше. Они бывают самых разных форм и размеров – от плоских круглых эритроцитов до длинных тонких нейронов, которые передают электрические сигналы по всему телу. Клетки вашей кожи имеют размер около 30 миллионных долей метра, в то время как клетки вашей крови, для сравнения, намного меньше, их диаметр составляет всего 8 миллионных долей метра.

Даже если мы выберем определенный тип клеток, будь то мозговая или мышечная клетка, каждая из них представляет собой нечто большее, чем просто мешок сложной биохимии с подробной анатомией, наполненный структурами. Существует центральный отсек, называемый ядром, который содержит около метра плотно скрученной ДНК. Вокруг ядра расположены другие отделы или «органеллы», такие как митохондрии, которые являются химическими электростанциями; эндоплазматическая сеть, упомянутая ранее, где белки синтезируются рибосомами; аппарат Гольджи для упаковки и секреции белков, а также структуры для борьбы с отходами, известные как пероксисома и лизосома.