Superračunalniška simulacija razkriva vzroke za napredovanje atrijske fibrilacije

Atrijska fibrilacija (AF) je najpogostejša vrsta nepravilnega srčnega ritma in sčasoma se lahko poslabša in postane trajna – resna motnja, ki je po podatkih NIH glavni preprečljiv vzrok za ishemično možgansko kap.

Nicolae Moise, podoktorski sodelavec na oddelku za biomedicinski inženiring na Državni univerzi Ohio (OSU), uporablja računalniške vire NCSA in OSC za preučevanje dolgoročnega napredovanja atrijske fibrilacije v upanju, da bo njegovo delo pomagalo razviti zdravljenja, ki lahko ustavijo atrijsko fibrilacijo, preden postane vseživljenjsko stanje. Njegova raziskava je bila nedavno objavljena v reviji JACC : Clinical Electrophysiology.

Atrijska fibrilacija je vrsta nepravilnega srčnega ritma, pri katerem zgornji prekati srca, atriji, utripajo neusklajeno s spodnjimi prekati. Kar se začne kot epizodni pojav, sčasoma postane trajno. Izvajanje človeških poskusov s potrebnimi podrobnostmi je težavno, zato Moise modelira procese na računalniku.

»Za raziskovanje, kako kratkotrajna srčna aktivnost (milisekunde do sekunde) povzroča dolgoročne spremembe v srčnem tkivu (dnevi, tedni in meseci), uporabljamo modele srčne elektrofiziologije,« je dejal Moise. »Naše simulacije so po mojem vedenju najdaljše doslej: modeliramo do 24 ur neprekinjene 2D električne aktivnosti.«

Simulacije raziskovalcem omogočajo spremljanje vseh vidikov delovanja srca v daljših časovnih obdobjih. Čeprav se srce morda zdi relativno preprosto, izvajanje simulacije na tej ravni podrobnosti zahteva veliko računanja.

»Vse 2D simulacije so bile izvedene z uporabo kode CUDA na grafičnih procesorjih in digitalnih signalnih procesorjih NCSA, kar je bilo ključnega pomena za preučevanje tako dolgih časovnih skal,« je dejal Moise.

»Viri NCSA, ki smo jih uporabili, so vključevali grafične procesorje NVIDIA, ki so na voljo prek Delte. Z izvajanjem kode CUDA na grafičnih procesorjih NVIDIA smo lahko naše simulacije pospešili za približno 250-krat. Ker so naše najdaljše simulacije v tej študiji trajale približno teden dni, bi na tipičnem osebnem računalniku ali prenosniku trajale leta.«

Moisejeva ekipa je odkrila zanimivo značilnost srca pri atrijski fibrilaciji. Ko se srčni utrip osebe poveča, se celice v srcu prilagodijo, da ohranijo ravnovesje kalcija. Ta neverjetna sposobnost celic ima resno pomanjkljivost: zaradi teh istih prilagoditev je srce nagnjeno k nadaljnjim aritmijam. Nastane začaran krog: z napredovanjem stanja se več celic prilagaja, da uravnotežijo kalcij, kar dodatno poveča dovzetnost za aritmije in sčasoma vodi do vztrajnega nepravilnega srčnega utripa.

Moisejevo delo kaže, zakaj je tako pomembno zgodaj odkriti atrijsko fibrilacijo in jo zdraviti za ohranjanje zdravja srca.

»Naša študija se osredotoča na najpogostejšo srčno aritmijo, atrijsko fibrilacijo, glavni vzrok kapi ter visoke obolevnosti in umrljivosti, s pomočjo računalniških simulacij električne aktivnosti srca,« je dejal Moise. »To delo nam omogoča, da prvič spremljamo nastanek in dolgoročno napredovanje te bolezni, kar bo na koncu privedlo do razvoja boljših zdravil za preprečevanje ali zaustavitev njenega napredovanja.«

Moisejeva raziskava ima potencial, da znatno izboljša zdravljenje atrijske fibrilacije, saj zdravnikom in znanstvenikom ponuja nov pogled na mehanizme, ki vodijo do njenega napredovanja. Ta pristop bi lahko navdihnil znanstvenike, ki delajo na sorodnih področjih kardiologije in širše.

»Verjamemo, da naše delo odpira novo časovno dimenzijo v simulacijah srčne elektrofiziologije in kaže, da so enodnevne simulacije (in celo daljše) tehnično izvedljive,« je dejal Moise. »Ta pristop bi se lahko uporabil pri različnih boleznih, kot so disfunkcija sinusnega vozla ali aritmije, ki jih povzroča miokardni infarkt. Poleg tega to delo neposredno spodbuja raziskave atrijske fibrilacije, saj prvič omogoča modeliranje njenega dolgoročnega napredovanja, ki ga povzroča aritmična električna aktivnost, ter odpira možnost testiranja terapij, ki ciljajo na znotrajcelične regulatorne mehanizme. Nenazadnje upamo, da bo naše delo navdihnilo druge raziskovalce, da se spopadejo z biološkimi izzivi, ki segajo dlje časa.«

V prihodnjih študijah Moise načrtuje izboljšati svojo simulacijo, da bi vključil potencialne načine zdravljenja, in dodatno potrditi svoje ugotovitve z dodatnimi poskusi. Prejšnje sorodno delo je bilo objavljeno v reviji Biophysical Journal.