À Silico Essais cliniques sur les maladies cardiovasculaires
Summary
Ce protocole démontre le flux de travail de la plate-forme SILICOFCM pour générer automatiquement un modèle paramétrique du ventricule gauche à partir d’images échographiques spécifiques au patient en appliquant un modèle électromécanique multi-échelle du cœur. Cette plateforme permet des essais cliniques in silico destinés à réduire les essais cliniques réels et à maximiser les résultats thérapeutiques positifs.
Abstract
Le projet SILICOFCM vise principalement à développer une plateforme informatique pour les essais cliniques in silico des cardiomyopathies familiales (FCM). La caractéristique unique de la plateforme est l’intégration de données d’imagerie biologique, génétique et clinique spécifiques au patient. La plateforme permet de tester et d’optimiser le traitement médical afin de maximiser les résultats thérapeutiques positifs. Ainsi, les effets indésirables et les interactions médicamenteuses peuvent être évités, la mort cardiaque subite peut être évitée et le délai entre le début du traitement médicamenteux et le résultat souhaité peut être raccourci. Cet article présente un modèle paramétrique du ventricule gauche généré automatiquement à partir d’images échographiques spécifiques au patient en appliquant un modèle électromécanique du cœur. Les effets des médicaments ont été prescrits par des conditions limites spécifiques pour le débit d’entrée et de sortie, les mesures ECG et la fonction du calcium pour les propriétés du muscle cardiaque. Les données génétiques des patients ont été incorporées grâce à la propriété matérielle de la paroi ventriculaire. L’analyse de la vue apicale consiste à segmenter le ventricule gauche à l’aide d’un cadre U-net préalablement formé et à calculer le rectangle de bordure en fonction de la longueur du ventricule gauche dans le cycle diastolique et systolique. L’analyse de la vue en mode M inclut la bordure des zones caractéristiques du ventricule gauche dans la vue en mode M. Après avoir extrait les dimensions du ventricule gauche, un maillage d’éléments finis a été généré sur la base des options de maillage, et une simulation d’analyse par éléments finis a été exécutée avec les vitesses d’entrée et de sortie fournies par l’utilisateur. Les utilisateurs peuvent visualiser directement sur la plate-forme divers résultats de simulation tels que des diagrammes pression-volume, pression-déformation et myocarde, ainsi que des animations de différents champs tels que les déplacements, les pressions, la vitesse et les contraintes de cisaillement.
Introduction
Le développement rapide des technologies de l’information, des progiciels de simulation et des dispositifs médicaux au cours des dernières années offre la possibilité de recueillir une grande quantité d’informations cliniques. La création d’outils de calcul complets et détaillés est donc devenue essentielle pour traiter des informations spécifiques à partir de l’abondance des données disponibles.
Du point de vue des médecins, il est d’une importance primordiale de distinguer les phénotypes « normaux » des phénotypes « anormaux » chez un patient spécifique afin d’estimer la progression de la maladie, les réponses thérapeutiques et les risques futurs. Des modèles informatiques récents ont considérablement amélioré la compréhension intégrative du comportement des muscles cardiaques dans les cardiomyopathies hypertrophiques (HCM) et dilatées (DCM)1. Il est crucial d’utiliser un modèle haute résolution, détaillé et anatomiquement précis de l’activité électrique du cœur entier, ce qui nécessite des temps de calcul massifs, des logiciels dédiés et des superordinateurs 1,2,3. Une méthodologie pour un modèle cardiaque 3D réel a récemment été développée à l’aide d’un modèle linéaire de matériau élastique et orthotrope basé sur des expériences de Holzapfel, qui peut prédire avec précision le transport et le déplacement du signal électrique dans le cœur4. Le développement de nouvelles approches de modélisation intégrative pourrait être un outil efficace pour distinguer le type et la gravité des symptômes chez les patients atteints de troubles multigéniques et évaluer le degré d’altération de l’activité physique normale.
Il existe cependant de nombreux nouveaux défis pour la modélisation spécifique au patient. Les propriétés physiques et biologiques du cœur humain ne sont pas entièrement déterminables. Les mesures non invasives comprennent généralement des données bruyantes à partir desquelles il est difficile d’estimer des paramètres spécifiques pour chaque patient. Le calcul à grande échelle nécessite beaucoup de temps, alors que le délai clinique est limité. Les données personnelles des patients doivent être gérées de manière à ce que les métadonnées générées puissent être réutilisées sans compromettre la confidentialité des patients. Malgré ces défis, les modèles cardiaques multi-échelles peuvent inclure un niveau de détail suffisant pour obtenir des prédictions qui suivent de près les réponses transitoires observées, offrant ainsi des promesses pour des applications cliniques potentielles.
Cependant, malgré l’effort scientifique considérable de plusieurs laboratoires de recherche et le montant important des subventions, il n’existe actuellement qu’un seul progiciel disponible dans le commerce pour les simulations multi-échelles et du cœur entier, appelé SIMULIA Living Heart Model5. Il comprend une simulation électromécanique dynamique, une géométrie cardiaque raffinée, un modèle de flux sanguin et une caractérisation complète des tissus cardiaques, y compris les caractéristiques passives et actives, la nature fibreuse et les voies électriques. Ce modèle est destiné à être utilisé en médecine personnalisée, mais la caractérisation des matières actives est basée sur un modèle phénoménologique introduit par Guccione et al.6,7. Par conséquent, SIMULIA ne peut pas traduire directement et avec précision les changements dans les caractéristiques fonctionnelles des protéines contractiles observés dans de nombreuses maladies cardiaques. Ces changements sont causés par des mutations et d’autres anomalies aux niveaux moléculaire et subcellulaire6. L’utilisation limitée du logiciel SIMULIA pour un petit nombre d’applications dans la pratique clinique est un excellent exemple des difficultés actuelles à développer des modèles cardiaques humains multi-échelles de haut niveau. D’autre part, il motive le développement d’une nouvelle génération de packages de programmes multi-échelles qui peuvent retracer les effets des mutations de l’échelle moléculaire à l’échelle de l’organe.
L’objectif principal de l’électrophysiologie du cœur est de déterminer la propagation du signal à l’intérieur du torse et les propriétés de tous les compartiments 4,5,6. Le projet SILICOFCM8 prédit le développement de la cardiomyopathie à l’aide de données d’imagerie biologique, génétique et clinique spécifiques au patient. Il est réalisé avec une modélisation multi-échelle du système sarcomérique réaliste, du profil génétique du patient, de la direction des fibres musculaires, de l’interaction fluide-structure et du couplage électrophysiologique. Les effets de la déformation du ventricule gauche, du mouvement de la valve mitrale et de l’hémodynamique complexe donnent un comportement fonctionnel détaillé des conditions cardiaques chez un patient spécifique.
Cet article démontre l’utilisation de la plateforme SILICOFCM pour un modèle paramétrique du ventricule gauche (VG) généré automatiquement à partir d’images échographiques spécifiques au patient à l’aide d’un modèle cardiaque fluide-structure avec couplage électromécanique. Les analyses de vue apicale et de vue en mode M du BT ont été générées avec un algorithme d’apprentissage profond. Ensuite, à l’aide du générateur de maillage, le modèle d’éléments finis a été construit automatiquement pour simuler différentes conditions aux limites du cycle complet pour la contraction BT9. Sur cette plate-forme, les utilisateurs peuvent visualiser directement les résultats de simulation tels que les diagrammes pression-volume, pression-déformation et myocarde, ainsi que des animations de différents champs tels que les déplacements, les pressions, la vitesse et les contraintes de cisaillement. Les paramètres d’entrée de patients spécifiques sont la géométrie des images échographiques, le profil de vitesse dans les conditions d’écoulement limite d’entrée et de sortie pour le VG et le traitement médicamenteux spécifique (par exemple, entresto, digoxine, mavacamten, etc.).
Protocol
Representative Results
Discussion
Le projet SILICOFCM est une plate-forme d’essais cliniques in silico visant à concevoir des populations de patients virtuels pour la prédiction des risques, à tester les effets du traitement pharmacologique et à réduire les expériences sur les animaux et les essais cliniques sur les humains. L’essai des effets du traitement pharmacologique a été modélisé avec les conditions d’écoulement limite d’entrée et de sortie prescrites, la fonction du calcium et les propriétés de la paroi du matéria…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude est soutenue par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de l’accord de subvention SILICOFCM 777204 et le ministère de l’Éducation, de la Science et du Développement technologique de la République de Serbie par le biais des contrats n ° 451-03-68/2022-14 / 200107. Cet article ne reflète que le point de vue des auteurs. La Commission européenne n’est pas responsable de l’utilisation qui pourrait être faite des informations contenues dans l’article.
Materials
| SILICOFCM project | www.silicofcm.eu | open access for registered users |
Referências
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