Механохимическое моделирование гипертрофии скелетных мышц, вызванной физическими упражнениями

Скелетные мышцы обладают выраженной пластичностью: в ответ на механическую нагрузку, особенно при физических упражнениях, меняются их размеры и сила. Этот процесс, известный как гипертрофия, лежит в основе спортивной подготовки и реабилитации, однако его количественное прогнозирование затруднено из-за многофакторного и многоуровневого характера. Гипертрофия скелетных мышц возникает в результате интеграции механических стимулов на макроскопическом уровне с внутриклеточными сигнальными путями, регулирующими рост мышц. В этой работе представлена многоуровневая вычислительная модель, которая механистически объединяет механические и биохимические стимулы и позволяет прогнозировать влияние различных видов физических упражнений на рост скелетных мышц. Модель сочетает трансверсально-изотропную гиперупругую модель механики тканей с системой обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающей сигнальный путь IGF1-AKT-mTOR-FOXO — ключевой регулятор синтеза и деградации белка. Связь между этими уровнями обеспечивается моделью объемного роста: динамика сигнального пути задает тензор роста, который определяет изменения площади поперечного сечения мышцы. Такой подход позволяет моделировать долговременную адаптацию мышц и исследовать механизмы, посредством которых разные протоколы упражнений приводят к гипертрофии на макроскопическом уровне. Моделирование воспроизводит временную динамику гипертрофии при различных режимах нагрузки и показывает, что обратная связь между синтезом белка и ростом мышцы регулирует зависимость «доза—ответ», предотвращая неограниченный рост. На основе геометрии мышц из набора данных Visible Human изучено влияние индивидуальных различий в строении мышц на гипертрофию. Наконец, показано, что механохимическая связь между геометрией мышц и сигнальными процессами не только позволяет прогнозировать макроскопические изменения формы, но и сглаживает влияние локальной неоднородности сигналов. Эта модель представляет собой вычислительный инструмент для прогнозирования адаптации мышц, оптимизации тренировочных программ и изучения многоуровневых факторов, определяющих мышечную адаптацию.