Бремя заболеваний опорно-двигательного аппарата, таких как остеоартрит, все больше влияет на качество жизни пациентов и приводит к огромным затратам на здравоохранение. В целях снижения бремени заболевания были разработаны вычислительные модели для прогнозирования начала и прогрессирования дегенерации хряща.
Современные модели коленного сустава пролили свет на развитие биомеханических усилий в суставах во время ходьбы и на тяжесть воспаления суставов. Однако вычислительным моделям на уровне клеток и тканей уделяется гораздо меньше внимания, хотя клетки вносят значительный вклад в тканевые изменения в хряще.
Таким образом, для прогнозирования раннего прогрессирования заболевания необходимо лучшее понимание механизмов раннего остеоартрита на клеточном и тканевом уровнях. Кроме того, эти модели могут также открыть новые возможности для фармацевтических исследований, направленных на смягчение прогрессирования остеоартрита.
В результате совместной работы Университета Восточной Финляндии (UEF), Лундского университета (LU), Университета Айовы (UIOWA) и Массачусетского технологического института (MIT) исследователи включили влияние клеток в новую численную модель, чтобы обнаружить процессы дегенерации в механически нагруженном и воспаленном хряще.
Эта модель учитывает различные формы гибели клеток, окислительный стресс и провоспалительные биомолекулы. Как и в предыдущих биологических экспериментах, модель предсказала, что повреждающая нагрузка вызывает агрессивное повреждение клеток и дегенерацию хряща вблизи повреждений хряща, тогда как воспаление вызывает широко распространенную дегенерацию также в неповрежденных областях.
Ослабление воспаления привело к частичному восстановлению состава хряща, что согласуется с предыдущей литературой. Этот результат говорит о том, что подход может помочь в определении потенциальных целей для новых стратегий раннего вмешательства, и он имеет большой потенциал для использования в качестве вычислительного «тестового трека», например, для различных противовоспалительных или антиоксидантных лекарственных средств.
После тщательной калибровки модель может предоставить ценную информацию для оценки доставки лекарств и эффектов терапевтического лечения в хряще. Таким образом, в этой работе с Университетом Айовы ученые планируют использовать модель для изучения эффективности их антиоксидантного препарата-кандидата. Модель может помочь в оценке того, когда препарат следует вводить в сустав, чтобы получить наибольшую пользу, и какую дозировку следует использовать для конкретного пациента.
«Эти факторы в коленном суставе, например, могут зависеть от механических и воспалительных аспектов каждого пациента, оба из которых могут быть учтены с помощью нашей вычислительной модели», — говорит ведущий автор исследования, докторант Йоонас Косонен из Университета Восточной Финляндии.
Исследование опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.