Superpočítačová simulácia odhaľuje príčiny progresie fibrilácie predsiení

Fibrilácia predsiení (FP) je najbežnejším typom nepravidelného srdcového rytmu a časom sa môže zhoršiť a stať sa trvalou – závažnou poruchou, ktorá je podľa NIH hlavnou príčinou ischemickej mozgovej príhody, ktorej sa dá predísť.

Nicolae Moise, postdoktorand na Katedre biomedicínskeho inžinierstva na Ohio State University (OSU), využíva výpočtové zdroje NCSA a OSC na štúdium dlhodobého vývoja fibrilácie predsiení v nádeji, že jeho práca pomôže vyvinúť liečebné postupy, ktoré dokážu zastaviť fibriláciu predsiení skôr, ako sa stane celoživotným ochorením. Jeho výskum bol nedávno publikovaný v časopise JACC : Clinical Electrophysiology.

Fibrilácia predsiení je typ nepravidelného srdcového rytmu, pri ktorom horné komory srdca, predsiene, bijú nesynchronizovane s dolnými komorami. Čo sa začína ako epizodický jav, sa nakoniec stane trvalým. Vykonávanie ľudských experimentov s potrebnými detailmi je náročné, preto Moise modeluje procesy na počítači.

„Na skúmanie toho, ako krátkodobá srdcová aktivita (milisekundy až sekundy) vyvoláva dlhodobé zmeny v srdcovom tkanive (dni až týždne až mesiace), používame modely srdcovej elektrofyziológie,“ povedal Moise. „Naše simulácie sú podľa mojich vedomostí doteraz najdlhšie: modelujeme až 24 hodín nepretržitej 2D elektrickej aktivity.“

Simulácie umožňujú výskumníkom monitorovať všetky aspekty fungovania srdca počas dlhého časového obdobia. Hoci sa srdce môže zdať relatívne jednoduché, spustenie simulácie na tejto úrovni detailov si vyžaduje veľa výpočtov.

„Všetky 2D simulácie boli spustené pomocou kódu CUDA na grafických procesoroch NCSA a DSP, čo bolo kľúčové pre štúdium takýchto dlhých časových intervalov,“ povedal Moise.

„Zdroje NCSA, ktoré sme použili, zahŕňali grafické karty NVIDIA dostupné prostredníctvom spoločnosti Delta. Spustením kódu CUDA na grafických procesoroch NVIDIA sme dokázali zrýchliť naše simulácie približne 250-krát. Keďže naše najdlhšie simulácie v tejto štúdii trvali približne týždeň, na typickom počítači alebo notebooku by trvali roky.“

Moiseov tím objavil zaujímavú vlastnosť srdca pri fibrilácii predsiení. Ako sa srdcová frekvencia zvyšuje, bunky v srdci sa prispôsobujú, aby udržali rovnováhu vápnika. Táto úžasná schopnosť buniek má však vážnu nevýhodu: Tieto rovnaké adaptácie spôsobujú, že srdce je náchylné na ďalšie arytmie. Vzniká začarovaný kruh: S pretrvávajúcim ochorením sa viac buniek prispôsobuje, aby vyvážili vápnik, čo ďalej zvyšuje náchylnosť na arytmie a nakoniec vedie k pretrvávajúcemu nepravidelnému srdcovému tepu.

Moiseova práca ukazuje, prečo je také dôležité včas odhaliť fibriláciu predsiení a liečiť ju, aby sa zachovalo zdravie srdca.

„Naša štúdia sa zameriava na najčastejšiu srdcovú arytmiu, fibriláciu predsiení, hlavnú príčinu mozgovej príhody a vysokej morbidity a mortality, prostredníctvom počítačových simulácií elektrickej aktivity srdca,“ povedal Moise. „Táto práca nám umožňuje po prvýkrát sledovať vznik a dlhodobý postup tohto ochorenia, čo v konečnom dôsledku povedie k vývoju lepších liekov na prevenciu alebo zastavenie jeho progresie.“

Moiseov výskum má potenciál výrazne zlepšiť liečbu fibrilácie predsiení tým, že poskytne lekárom a vedcom nový pohľad na mechanizmy, ktoré vedú k jej progresii. Tento prístup by mohol inšpirovať vedcov pracujúcich v súvisiacich oblastiach kardiológie a mimo nich.

„Veríme, že naša práca otvára nový časový rozmer v simuláciách elektrofyziológie srdca a ukazuje, že jednodňové (a dokonca aj dlhšie) simulácie sú technicky uskutočniteľné,“ povedal Moise. „Tento prístup by sa dal aplikovať na rôzne ochorenia, ako je dysfunkcia sínusového uzla alebo arytmie spôsobené infarktom myokardu. Okrem toho táto práca priamo posúva výskum fibrilácie predsiení vpred tým, že po prvýkrát umožňuje modelovať jej dlhodobý postup spôsobený arytmickou elektrickou aktivitou, ako aj otvára možnosť testovania terapií zameraných na intracelulárne regulačné mechanizmy. Napokon, v širšom zmysle dúfame, že naša práca inšpiruje ďalších výskumníkov k riešeniu biologických výziev, ktoré sa týkajú dlhšieho časového horizontu.“

V budúcich štúdiách plánuje Moise spresniť svoju simuláciu tak, aby zahŕňala potenciálne liečebné postupy a ďalej overiť svoje zistenia ďalšími experimentmi. Predchádzajúca súvisiaca práca bola publikovaná v časopise Biophysical Journal.