ECMSim:通过集成的基于ODE的信号和扩散来实现心脏ECM重塑的高性能网络模拟
Hasi Hays1, William Richardson1
1Department of Chemical Engineering, University of Arkansas, Fayetteville, AR 72701, USA.
ArXiv
|November 24, 2025
概括
ECMSim是一个新的网络应用程序,可以实时模拟细胞外矩阵 (ECM) 重建. 该工具可以帮助研究人员研究心脏纤维化,并通过模拟复杂的细胞信号网络来测试潜在的药物效应.
科学领域:
- 计算生物学 计算生物学
- 生物物理学的生物物理.
- 生物化学 生物化学
背景情况:
- 细胞外矩阵 (ECM) 改造对于组织健康和疾病至关重要.
- 由于复杂,动态的分子网络,预测ECM重塑是具有挑战性的.
- 心脏纤维化是心力衰竭的一个关键方面,涉及到显著的ECM重塑.
研究的目的:
- 推出ECMSim,一个交互式的实时网络应用程序,用于模拟异质ECM重建.
- 为了模拟心脏纤维细胞信号网络,模拟心脏痕组织.
- 为调查病理状况和潜在的治疗干预提供一个平台.
主要方法:
- 开发了心脏纤维细胞信号网络的大规模模型.
- 模拟了超过130万个普通微分方程 (ODEs) 与分子扩散相结合.
- 使用编译的C++和WebAssembly进行按需的方程解决.
- 实现的交互功能,包括细胞选择和参数调整.
- 网络动态的集成实时多尺度可视化.
主要成果:
- ECMSim实时模拟复杂的ECM重建过程.
- 该应用程序处理超过125个物种和200个边缘在10,000个细胞的空间阵列中的每个细胞.
- 模拟包括细胞内信号传输,ECM产生,反循环和分子扩散.
- 该平台可以动态调整输入条件和参数.
结论:
- ECMSim提供了一个强大的,交互式工具,用于实时ECM重建模拟.
- 该应用程序有助于研究心脏纤维化和其他组织重塑过程.
- ECMSim支持探索假设情景和测试药物对向受体的影响.


