Simularea pe supercomputer dezvăluie cauzele progresiei fibrilației atriale

Fibrilația atrială (FA) este cel mai frecvent tip de ritm cardiac neregulat și, în timp, se poate agrava și deveni permanentă - o tulburare gravă care este principala cauză prevenibilă a accidentului vascular cerebral ischemic, potrivit NIH.

Nicolae Moise, cercetător postdoctoral în cadrul Departamentului de Inginerie Biomedicală de la Universitatea de Stat din Ohio (OSU), utilizează resursele de calcul ale NCSA și OSC pentru a studia progresia pe termen lung a fibrilației atriale (FA), în speranța că munca sa va ajuta la dezvoltarea de tratamente care pot opri FA înainte ca aceasta să devină o afecțiune pe viață. Cercetarea sa a fost publicată recent în JACC : Clinical Electrophysiology.

FA este un tip de ritm cardiac neregulat în care camerele superioare ale inimii, atriile, bat nesincronizate cu camerele inferioare. Ceea ce începe ca un fenomen episodic devine în cele din urmă permanent. Efectuarea experimentelor pe oameni cu detaliile necesare este dificilă, așa că Moise modelează procesele pe un computer.

„Folosim modele de electrofiziologie cardiacă pentru a investiga modul în care activitatea cardiacă pe termen scurt (de la milisecunde la secunde) determină modificări pe termen lung ale țesutului cardiac (de la zile la săptămâni la luni)”, a spus Moise. „Simulările noastre sunt, din câte știu, cele mai lungi de până acum: modelăm până la 24 de ore de activitate electrică 2D continuă.”

Simulările permit cercetătorilor să monitorizeze toate aspectele funcționării inimii pe perioade lungi de timp. Deși inima poate părea relativ simplă, rularea unei simulări la acest nivel de detaliu necesită o mulțime de calcule.

„Toate simulările 2D au fost rulate folosind cod CUDA pe GPU-uri și DSP NCSA, ceea ce a fost esențial pentru studierea unor intervale de timp atât de lungi”, a spus Moise.

„Resursele NCSA pe care le-am folosit au inclus GPU-uri NVIDIA disponibile prin Delta. Prin rularea codului CUDA pe GPU-uri NVIDIA, am reușit să ne accelerăm simulările de aproximativ 250 de ori. Întrucât cele mai lungi simulări din acest studiu au durat aproximativ o săptămână, acestea ar fi durat ani de zile pe un PC sau laptop obișnuit.”

Echipa lui Moise a descoperit o caracteristică interesantă a inimii în cazul fibrilației atriale (FA). Pe măsură ce ritmul cardiac al unei persoane crește, celulele din inimă se adaptează pentru a menține echilibrul calciului. Această capacitate uimitoare a celulelor vine cu un dezavantaj serios: aceleași adaptări fac inima predispusă la aritmii suplimentare. Se instalează un cerc vicios: pe măsură ce afecțiunea persistă, tot mai multe celule se adaptează pentru a echilibra calciul, crescând și mai mult susceptibilitatea la aritmii și, în cele din urmă, ducând la bătăi neregulate persistente ale inimii.

Studiul lui Moise arată de ce este atât de important să se detecteze fibrilația atrială (FA) din timp și să se trateze pentru a menține sănătatea inimii.

„Studiul nostru se concentrează asupra celei mai frecvente aritmii cardiace, fibrilația atrială, o cauză majoră a accidentului vascular cerebral și a morbidității și mortalității ridicate, prin simulări pe computer ale activității electrice a inimii”, a spus Moise. „Această lucrare ne permite să urmărim pentru prima dată inițierea și progresia pe termen lung a acestei boli, ceea ce va duce în cele din urmă la dezvoltarea unor medicamente mai bune pentru a preveni sau opri progresia acesteia.”

Cercetarea lui Moise are potențialul de a îmbunătăți semnificativ tratamentul fibrilației atriale (FA), oferind medicilor și oamenilor de știință o nouă perspectivă asupra mecanismelor care duc la progresia acesteia. Această abordare ar putea inspira oamenii de știință care lucrează în domenii conexe ale cardiologiei și nu numai.

„Credem că munca noastră deschide o nouă dimensiune temporală în simulările electrofiziologiei cardiace, demonstrând că simulările de o singură zi (și chiar mai lungi) sunt fezabile din punct de vedere tehnic”, a spus Moise. „Această abordare ar putea fi aplicată unei varietăți de boli, cum ar fi disfuncția nodului sinusal sau aritmiile cauzate de infarctul miocardic. În plus, această lucrare avansează în mod direct cercetarea privind fibrilația atrială, permițând pentru prima dată modelarea progresiei sale pe termen lung cauzată de activitatea electrică aritmică, precum și deschizând posibilitatea testării terapiilor care vizează mecanismul de reglare intracelulară. În cele din urmă, într-un sens mai larg, sperăm că munca noastră va inspira alți cercetători să abordeze provocările biologice care se întind pe intervale de timp mai lungi.”

În studiile viitoare, Moise intenționează să își perfecționeze simularea pentru a încorpora potențiale tratamente și să își valideze descoperirile cu experimente suplimentare. Lucrări anterioare conexe au fost publicate în Biophysical Journal.