Supercomputersimulering afslører årsager til progression af atrieflimren

Atrieflimren (AF) er den mest almindelige type uregelmæssig hjerterytme, og med tiden kan den forværres og blive permanent - en alvorlig lidelse, der er den førende forebyggelige årsag til iskæmisk slagtilfælde, ifølge NIH.

Nicolae Moise, postdoc ved Institut for Biomedicinsk Teknik ved Ohio State University (OSU), bruger NCSA's og OSC's computerressourcer til at studere den langsigtede progression af atrieflimmer i håb om, at hans arbejde vil hjælpe med at udvikle behandlinger, der kan stoppe atrieflimmer, før det bliver en livslang tilstand. Hans forskning blev for nylig offentliggjort i JACC : Clinical Electrophysiology.

Atrieflimmer er en type uregelmæssig hjerterytme, hvor hjertets øvre kamre, atrierne, slår ude af synkronisering med de nedre kamre. Det, der starter som et episodisk fænomen, bliver med tiden permanent. Det er vanskeligt at udføre menneskelige eksperimenter med de nødvendige detaljer, så Moise modellerer processerne på en computer.

"Vi bruger elektrofysiologiske modeller for hjertet til at undersøge, hvordan kortvarig hjerteaktivitet (millisekunder til sekunder) driver langsigtede ændringer i hjertevævet (dage til uger til måneder)," sagde Moise. "Vores simuleringer er, så vidt jeg ved, de længste til dato: vi modellerer op til 24 timers kontinuerlig 2D elektrisk aktivitet."

Simuleringer giver forskere mulighed for at overvåge alle aspekter af, hvordan hjertet fungerer over lange perioder. Selvom hjertet kan virke relativt simpelt, kræver det en masse beregninger at køre en simulering på dette detaljeringsniveau.

"Alle 2D-simuleringer blev kørt ved hjælp af CUDA-kode på NCSA GPU'er og DSP, hvilket var afgørende for at studere så lange tidsskalaer," sagde Moise.

"De NCSA-ressourcer, vi brugte, omfattede NVIDIA GPU'er, der var tilgængelige via Delta. Ved at køre CUDA-kode på NVIDIA GPU'er var vi i stand til at fremskynde vores simuleringer med omkring 250 gange. Da vores længste simuleringer i denne undersøgelse varede omkring en uge, ville de have taget år på en typisk pc eller bærbar computer."

Moises team opdagede en interessant egenskab ved hjertet ved atrieflimmer. Når en persons puls stiger, tilpasser cellerne i hjertet sig for at opretholde calciumbalancen. Denne fantastiske evne hos cellerne har en alvorlig ulempe: De samme tilpasninger gør hjertet tilbøjeligt til yderligere arytmier. En ond cirkel følger: Flere celler tilpasser sig for at balancere calcium, efterhånden som tilstanden fortsætter, hvilket yderligere øger modtageligheden for arytmier og i sidste ende fører til en vedvarende uregelmæssig hjerterytme.

Moises arbejde viser, hvorfor det er så vigtigt at opdage atrieflimmer tidligt og behandle det for at opretholde et sundt hjerte.

"Vores undersøgelse fokuserer på den mest almindelige hjertearytmi, atrieflimren, en væsentlig årsag til slagtilfælde og høj sygelighed og dødelighed, gennem computersimuleringer af hjertets elektriske aktivitet," sagde Moise. "Dette arbejde giver os mulighed for for første gang at spore initieringen og den langsigtede progression af denne sygdom, hvilket i sidste ende vil føre til udvikling af bedre lægemidler til at forhindre eller stoppe dens progression."

Moises forskning har potentiale til at forbedre behandlingen af atrieflimmer betydeligt ved at give læger og forskere et nyt perspektiv på de mekanismer, der fører til dens progression. Denne tilgang kan inspirere forskere, der arbejder inden for relaterede områder af kardiologi og derudover.

"Vi mener, at vores arbejde åbner op for en ny tidsmæssig dimension inden for kardiale elektrofysiologiske simuleringer, hvilket viser, at simuleringer på én dag (og endda længere) er teknisk muligt," sagde Moise. "Denne tilgang kan anvendes på en række forskellige sygdomme, såsom sinusknudedysfunktion eller arytmier forårsaget af myokardieinfarkt. Derudover fremmer dette arbejde direkte forskningen i atrieflimren ved for første gang at muliggøre modellering af dens langsigtede progression forårsaget af arytmisk elektrisk aktivitet, samt åbner muligheden for at teste behandlinger, der er målrettet mod det intracellulære reguleringsmaskineri. Endelig håber vi mere generelt, at vores arbejde vil inspirere andre forskere til at tackle biologiske udfordringer, der spænder over længere tidsskalaer."

I fremtidige studier planlægger Moise at forfine sin simulering for at inkorporere potentielle behandlinger og yderligere validere sine resultater med yderligere eksperimenter. Tidligere relateret arbejde er blevet offentliggjort i Biophysical Journal.