Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Печень – замечательный орган, самый большой в организме (второй по размеру после кожи), а также самый загруженный, выполняющий функции перерабатывающего завода, аккумулятора, фильтра, склада и распределительного центра. Печень выполняет множество важных задач: преобразует пищу в энергию, детоксицирует алкоголь, наркотики и загрязняющие вещества, сохраняет витамины, жиры, сахара и минералы, производит пищеварительный сок – желчь, которая расщепляет липиды, чтобы они могли усваиваться организмом, и вырабатывает гормоны, регулирующие сексуальное желание и многое другое. Это главный метаболический орган всех позвоночных – главная лаборатория, если хотите, – и его метаболизм играет центральную роль в токсичности и эффективности лекарств.

Печень имеет конусообразную форму и состоит из двух основных долей. В каждой по восемь сегментов, состоящих из 1000 маленьких долей или долек, соединенных с протоками, транспортирующими желчь в желчный пузырь и тонкую кишку. Поскольку эти дольки являются основными функциональными единицами печени, команда из Окленда под руководством Харви Хо разработала многомасштабную модель виртуальных долек, в которой поток моделируется с помощью уравнения в частных производных, учитывающего диффузию и адвекцию химических веществ, чтобы связать биомеханические модели кровотока и фармакологические модели. Таким образом, исследователи смогут, например, увидеть, как в одной конкретной метаболической зоне дольки передозировка обезболивающего ацетаминофена может привести к некрозу гепатоцитов – наиболее распространенного типа клеток печени[482].

В отличие от любого другого органа, печень зависит от двух источников крови: четверть поступает через печеночную артерию, которая доставляет из легких кровь с высоким содержанием кислорода. Три четверти крови поступает через систему воротной вены – сети, которая транспортирует кровь через кишечник, желудок, селезенку и поджелудочную железу. Все продукты пищеварения, от питательных веществ до токсинов, попадают в печень этим путем. Как только печень дезоксигенирует и перерабатывает эту кровь, она транспортируется в центральную печеночную вену, а затем в сердце.

Печень, самый важный метаболический орган в организме, настолько активна, что согревает протекающую через нее кровь и помогает поддерживать температуру тела. Печень насыщена кровью, удерживая примерно четверть ее запасов в организме, поэтому этот огромный орган имеет красновато-коричневый оттенок. В общей сложности каждые две с половиной минуты через сложную сеть артерий, вен и капилляров печени проходит галлон крови. Один из проектов Окленда направлен на то, чтобы смоделировать карту этих огромных деревьев из тысяч сосудов[483], а также пульсирующие через них приливы и отливы крови, чтобы планировать операции на печени[484]. Печень имеет мало внешних ориентиров, которые могли бы помочь хирургам, поэтому модели ее анатомии могут помочь при восстановлении после серьезной операции[485].

Печень необычна еще и тем, что, даже если более половины ее общей массы повреждено (например, из-за чрезмерного употребления алкоголя), она способна самовосстанавливаться, и этот процесс также моделируется. Работа уже выявила нераспознанный механизм регенерации, который зависит от того, как гепатоциты выстраиваются вдоль синусоидов – микрокровеносных сосудов, пересекающих дольку печени[486]. В другом исследовании команда из Окленда моделирует воздействие на печень вирусной инфекции гепатита В, используя понимание вирусной кинетики, которое мы изложили в пятой главе.

Есть и другие успешные модели печени, например, Virtual Liver Network в Германии – по-настоящему многомасштабная компьютерная модель всего органа, от биомолекулярных и биохимических процессов внутри клеток до анатомии всей печени – находится в стадии разработки 70 исследовательскими группами из 41 учреждения. Марино Зериал и его коллеги из Института молекулярно-клеточной биологии и генетики Макса Планка в Дрездене разработали многомасштабную модель, которая может имитировать гидродинамические свойства желчи, которая вырабатывается в печени и транспортируется через сильно разветвленную канальцевую сеть в кишечник для переваривания липидов и выведения продуктов жизнедеятельности[487]. Их трехмерные изображения желчевыводящей сети – большого переплетения протоков – показывают динамику жидкости желчи: от быстрой, текущей красной до медленной синей. Такая работа помогает нам понять холестаз – нарушение оттока желчи, распространенную проблему, наблюдаемую при разработке лекарств и которая может быть связана, среди прочего, с передозировкой наркотиков.