ECMSim：面向心肌 ECM 信号与扩散的高性能交互式实时仿真应用
分子网络
2026-05-26 v2 新兴技术
生物物理
定量方法
摘要
细胞外矩阵（ECM）重塑是众多健康和疾病组织过程中的核心因素。不幸的是，由于其复杂的调控机制——由细胞内外分子反应网络在空间和时间上动态变化——导致预测 ECM 在各种化学和机械条件下的重塑极具挑战性。我们引入 ECMSim，这是一个高度交互式、实时且面向 Web 的仿真应用，旨在模拟异构性矩阵重塑。该模型使用可配置的输入条件模拟心脏疤痕组织，基于大规模心肌纤维细胞信号网络。心肌纤维化是诸多心力衰竭形式中的重要组成部分。ECMSim 在实时条件下求解 137 万组耦合常微分方程（ODE），并在每个时间步执行约 484 万次运算，涵盖 100×100 空间阵列（1 万细胞）中每个细胞的 137 个分子物种和 259 条调控相互作用，包括输入、受体、细胞内信号级联、ECM 生产、反馈回路以及分子扩散。该算法由与 ECM 分子扩散耦合的 ODE 组表示，通过编译 C++ 和 WebAssembly 标准按需求解。该软件可用于探索病理或实验条件、假设情景、矩阵重塑，或测试针对特定受体的实验性药物的效果。
关键词
引用
@article{arxiv.2510.12577,
title = {ECMSim: A high-performance interactive web application for real-time spatiotemporal simulation of cardiac ECM signaling and diffusion},
author = {Hasi Hays and William J. Richardson},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.12577},
year = {2026}
}