Výukový simulátor glukózové regulace v internetovém prohlížeči

Abstract

Tato práce navrhuje matematický model metabolismu glukózy a vytváří výukovou webovou aplikaci, ve které může uživatel prostřednictvím simulace prozkoumat různé aspekty metabolismu glukózy. Model je postaven především na práci T. J. Sorensena, který ve své dizertační práci z roku 1985 navrhl model celotělového metabolismu glukózy. Pro popis vnitrobuněčných reakcí práce napojuje na Sorensonův model další modely. Po představení teorie metabolismu glukózy a rovnic modelu práce diskutuje odhad a výpočet parametrů modelu. Model je implementován v jazyce Modelica s využitím dědičnosti objektů, což ho činí snadněji použitelným pro další vývoj. Model je porovnán s experimentálními daty, se kterými je na kvalitativní úrovni v souladu. Struktura webové stránky je navržena tak, aby poskytla pohled na glukózový metabolismus z různých úhlů pohledu. Konkrétně pohled na orgány jako na uzavřenou smyčku, na cyklování metabolitů, na vnitrobuněčné reakce a na regulaci homeostázy. Pro implementaci webové stránky jsou použity nástroje Bodylight.js.

This thesis develops a mathematical model of glucose metabolism and builds an educational web-page application where the user can explore different aspects of glucose metabolism through simulation. The model is built primarily on the work of T. J. Sorensen who proposed a whole-body glucose metabolism model in his 1985 dissertation thesis. Other models are adapted to and combined with the Sorensen's model to add intracellular dynamics to the model. After discussing the theory of glucose metabolism and the equations of the model, parameters are discussed and estimated. The model is implemented in Modelica using the object inheritance approach which enhances the model's adaptability. The model is tested through glucose and insulin infusion experiments and compared with experimental data. On the qualitative level, the results agree with the experimentally measured values. To produce the web page, an educational concept of showing specific points of view on glucose metabolism is proposed. Namely, closed loop of organs, cycling of metabolites, intracellular reactions, and regulation of homeostasis. Bodylight.js tools are used for the implementation of the web page.