3D 心脏模拟预测药物如何影响你的心跳

如果你感到害怕或者突然见到久违的爱人，你的心跳可能会“漏跳一拍”，但在现实生活中，心律不齐可能会很危险。如果心脏无法向身体输送足够的血液，可能会导致器官衰竭或中风。如果未经适当审查，某些处方药可能会扰乱心脏的自然节律。

为了确保新药不会引起这些致命的副作用，科学家们建立了一个人体心脏的 3D 模型。该模型由 2200 万个“细胞”组成，从分子水平到器官水平模拟心脏活动——例如从细胞膜上的离子通道到泵血的肌肉收缩。该系统可以帮助科学家预测新药是否会导致心律不齐。目前，这种测试是在动物研究中进行的，这并不总是能反映出药物在人体中的作用，以及临床试验，这可能会使参与者面临风险。该模型的创建者认为，有朝一日，它可以使药物测试更便宜、更快捷、更有效。

但在心脏模拟技术可用于测试新药之前，科学家必须确保它对旧药有效。在《科学进展》杂志发表的一篇论文中，东京大学的研究人员成功地模拟了 12 种药物对数字心跳的影响。

首先，研究人员测试了每种药物如何改变培养皿中仓鼠细胞中六种不同离子通道的活性。这些离子通道有助于控制引起心脏跳动或停止的电荷。研究人员将离子通道数据输入模型，观察在不同剂量的药物下，它如何影响模拟的心跳。

模拟结果与每种药物已知的情况非常吻合。对于已知会引起心律不齐的八种药物，该模型也经历了心律异常。对于不会引起心律不齐的四种药物，模拟心跳正常。

“这项研究的真正新颖之处在于，它从分子尺度上将药物作用与整个心脏尺度上电传播的危险变化机械地联系起来，”未参与这项研究的牛津大学计算生物学家加里·米拉姆斯 (Gary Mirams) 说。

研究人员使用一台性能强大的计算机，花了三个小时模拟每一次心跳。由于耗时太长，大多数情况下，他们每次测试只能模拟五次心跳。

还有其他限制。论文指出，模拟仍然需要组织成分，因为它无法重现未在活细胞中首先评估的离子通道的影响。相反，该模型将组织数据放在一起，以了解其如何影响心跳。此外，米拉姆斯指出，心脏的形状因人而异，心脏不同区域的细胞可能具有不同的电特性。加入更多这样的细节可以使模型随着时间的推移更加准确。

毫无疑问，这种模拟对于研究其他类型的心脏问题也大有裨益。“尽管本文没有展示，但我们的模型可以重现心脏活动的各个方面，”这项研究的主要作者 Jun-ichi Okada 说道。“我们还可以评估泵血功能、新陈代谢和冠状动脉血流。”

要了解该模型的工作原理和用途的更多信息，请观看下面的视频。