Simulasi superkomputer mendedahkan punca perkembangan fibrilasi atrium

Fibrilasi atrium (AF) adalah jenis irama jantung tidak teratur yang paling biasa, dan dari masa ke masa ia boleh menjadi lebih teruk dan menjadi kekal - gangguan serius yang merupakan punca utama strok iskemia yang boleh dicegah, menurut NIH.

Nicolae Moise, seorang felo pasca doktoral di Jabatan Kejuruteraan Bioperubatan di The Ohio State University (OSU), menggunakan sumber pengkomputeran NCSA dan OSC untuk mengkaji perkembangan jangka panjang AF dengan harapan kerjanya akan membantu membangunkan rawatan yang boleh menghentikan AF sebelum ia menjadi keadaan seumur hidup. Penyelidikannya baru-baru ini diterbitkan dalam JACC : Elektrofisiologi Klinikal.

AF ialah sejenis irama jantung yang tidak teratur di mana ruang atas jantung, atrium, berdenyut tidak selari dengan ruang bawah. Apa yang bermula sebagai fenomena episod akhirnya menjadi kekal. Menjalankan eksperimen manusia dengan perincian yang diperlukan adalah sukar, jadi Moise memodelkan proses pada komputer.

"Kami menggunakan model elektrofisiologi jantung untuk menyiasat bagaimana aktiviti jantung jangka pendek (milisaat hingga saat) memacu perubahan jangka panjang dalam tisu jantung (hari ke minggu ke bulan)," kata Moise. "Simulasi kami, pada pengetahuan saya, yang paling lama setakat ini: kami memodelkan sehingga 24 jam aktiviti elektrik 2D berterusan."

Simulasi membolehkan penyelidik memantau semua aspek bagaimana jantung berfungsi dalam jangka masa yang panjang. Walaupun hati mungkin kelihatan agak mudah, menjalankan simulasi pada tahap perincian ini memerlukan banyak pengiraan.

"Semua simulasi 2D dijalankan menggunakan kod CUDA pada GPU NCSA dan DSP, yang penting untuk mengkaji skala masa yang begitu lama," kata Moise.

"Sumber NCSA yang kami gunakan termasuk GPU NVIDIA yang tersedia melalui Delta. Dengan menjalankan kod CUDA pada GPU NVIDIA, kami dapat mempercepatkan simulasi kami sebanyak kira-kira 250 kali. Memandangkan simulasi kami yang paling lama dalam kajian ini berlangsung kira-kira seminggu, ia akan mengambil masa bertahun-tahun pada PC atau komputer riba biasa."

Pasukan Moise menemui ciri menarik jantung dalam AF. Apabila kadar denyutan jantung seseorang meningkat, sel-sel dalam jantung menyesuaikan diri untuk mengekalkan keseimbangan kalsium. Keupayaan sel yang menakjubkan ini datang dengan kelemahan yang serius: Penyesuaian yang sama ini menjadikan jantung terdedah kepada aritmia yang lebih lanjut. Kitaran ganas berlaku: Lebih banyak sel menyesuaikan diri untuk mengimbangi kalsium apabila keadaan berterusan, meningkatkan lagi kerentanan kepada aritmia dan akhirnya membawa kepada degupan jantung tidak teratur yang berterusan.

Kerja Moise menunjukkan mengapa sangat penting untuk mengesan AF awal dan merawatnya untuk mengekalkan kesihatan jantung.

"Kajian kami memberi tumpuan kepada aritmia jantung yang paling biasa, fibrilasi atrium, penyebab utama strok dan morbiditi dan kematian yang tinggi, melalui simulasi komputer aktiviti elektrik jantung," kata Moise. "Kerja ini membolehkan kami mengesan untuk pertama kalinya permulaan dan perkembangan jangka panjang penyakit ini, yang akhirnya akan membawa kepada pembangunan ubat yang lebih baik untuk mencegah atau menghentikan perkembangannya."

Penyelidikan Moise mempunyai potensi untuk meningkatkan dengan ketara rawatan AF dengan memberi doktor dan saintis perspektif baharu tentang mekanisme yang membawa kepada perkembangannya. Pendekatan ini boleh memberi inspirasi kepada saintis yang bekerja dalam bidang berkaitan kardiologi dan seterusnya.

"Kami percaya bahawa kerja kami membuka dimensi temporal baharu dalam simulasi elektrofisiologi jantung, menunjukkan bahawa simulasi satu hari (dan lebih lama lagi) boleh dilaksanakan secara teknikal," kata Moise. "Pendekatan ini boleh digunakan untuk pelbagai penyakit, seperti disfungsi nod sinus atau aritmia yang disebabkan oleh infarksi miokardium. Selain itu, kerja ini secara langsung memajukan penyelidikan mengenai fibrilasi atrium dengan membenarkan buat pertama kalinya untuk memodelkan perkembangan jangka panjangnya yang disebabkan oleh aktiviti elektrik aritmia, serta membuka kemungkinan terapi ujian yang menyasarkan kerja-kerja pengawalseliaan intraselular yang lebih luas, kami berharap agar jentera pengawalseliaan kami yang lain dapat menangani lebih banyak kerja. cabaran biologi yang menjangkau skala masa yang lebih panjang."

Dalam kajian akan datang, Moise merancang untuk memperhalusi simulasinya untuk menggabungkan rawatan berpotensi dan seterusnya mengesahkan penemuannya dengan eksperimen tambahan. Kerja berkaitan sebelumnya telah diterbitkan dalam Jurnal Biofizik.