Superdatorsimulering avslöjar orsaker till förmaksflimmerprogression

Förmaksflimmer (AF) är den vanligaste typen av oregelbunden hjärtrytm, och med tiden kan den förvärras och bli permanent - en allvarlig sjukdom som är den främsta förebyggbara orsaken till ischemisk stroke, enligt NIH.

Nicolae Moise, postdoktor vid institutionen för biomedicinsk teknik vid Ohio State University (OSU), använder datorresurserna vid NCSA och OSC för att studera den långsiktiga utvecklingen av förmaksflimmer i hopp om att hans arbete ska bidra till att utveckla behandlingar som kan stoppa förmaksflimmer innan det blir ett livslångt tillstånd. Hans forskning publicerades nyligen i JACC : Clinical Electrophysiology.

Förmaksflimmer är en typ av oregelbunden hjärtrytm där hjärtats övre kammare, förmaken, slår i osynkronisering med de nedre kamrarna. Det som börjar som ett episodiskt fenomen blir så småningom permanent. Att utföra mänskliga experiment med nödvändig detaljrikedom är svårt, så Moise modellerar processerna på en dator.

”Vi använder elektrofysiologiska modeller för hjärtmuskeln för att undersöka hur kortsiktig hjärtaktivitet (millisekunder till sekunder) driver långsiktiga förändringar i hjärtvävnaden (dagar till veckor till månader)”, sa Moise. ”Våra simuleringar är, såvitt jag vet, de längsta hittills: vi modellerar upp till 24 timmar av kontinuerlig 2D-elektrisk aktivitet.”

Simuleringar gör det möjligt för forskare att övervaka alla aspekter av hur hjärtat fungerar under långa tidsperioder. Även om hjärtat kan verka relativt enkelt kräver det mycket beräkningar att köra en simulering på denna detaljnivå.

"Alla 2D-simuleringar kördes med CUDA-kod på NCSA-GPU:er och DSP, vilket var avgörande för att studera så långa tidsskalor", sa Moise.

”NCSA-resurserna vi använde inkluderade NVIDIA-GPU:er tillgängliga via Delta. Genom att köra CUDA-kod på NVIDIA-GPU:er kunde vi snabba upp våra simuleringar med cirka 250 gånger. Eftersom våra längsta simuleringar i den här studien varade i ungefär en vecka skulle de ha tagit år på en typisk PC eller laptop.”

Moises team upptäckte en intressant egenskap hos hjärtat vid förmaksflimmer. När en persons hjärtfrekvens ökar anpassar sig cellerna i hjärtat för att upprätthålla kalciumbalansen. Denna fantastiska förmåga hos cellerna har en allvarlig nackdel: Samma anpassningar gör hjärtat benäget för ytterligare arytmier. En ond cirkel uppstår: Fler celler anpassar sig för att balansera kalcium allt eftersom tillståndet fortsätter, vilket ytterligare ökar känsligheten för arytmier och så småningom leder till en ihållande oregelbunden hjärtrytm.

Moises arbete visar varför det är så viktigt att upptäcka förmaksflimmer tidigt och behandla det för att bibehålla hjärthälsan.

”Vår studie fokuserar på den vanligaste hjärtrytmrubbningen, förmaksflimmer, en viktig orsak till stroke och hög sjuklighet och dödlighet, genom datorsimuleringar av hjärtats elektriska aktivitet”, sa Moise. ”Detta arbete gör det möjligt för oss att för första gången spåra sjukdomens initiering och långsiktiga utveckling, vilket i slutändan kommer att leda till utveckling av bättre läkemedel för att förebygga eller stoppa dess utveckling.”

Moises forskning har potential att avsevärt förbättra behandlingen av förmaksflimmer genom att ge läkare och forskare ett nytt perspektiv på de mekanismer som leder till dess utveckling. Denna metod skulle kunna inspirera forskare som arbetar inom relaterade områden inom kardiologi och därefter.

”Vi tror att vårt arbete öppnar upp en ny tidsmässig dimension inom hjärtelektrofysiologiska simuleringar, vilket visar att simuleringar på en dag (och ännu längre) är tekniskt genomförbara”, sa Moise. ”Denna metod skulle kunna tillämpas på en mängd olika sjukdomar, såsom sinusnoddysfunktion eller arytmier orsakade av hjärtinfarkt. Dessutom främjar detta arbete direkt forskningen om förmaksflimmer genom att för första gången möjliggöra modellering av dess långsiktiga utveckling orsakad av arytmisk elektrisk aktivitet, samt öppnar möjligheten att testa behandlingar som riktar sig mot den intracellulära regleringsmekanismen. Slutligen, mer generellt, hoppas vi att vårt arbete kommer att inspirera andra forskare att ta itu med biologiska utmaningar som sträcker sig över längre tidsskalor.”

I framtida studier planerar Moise att förfina sin simulering för att införliva potentiella behandlingar och ytterligare validera sina resultat med ytterligare experiment. Tidigare relaterat arbete publicerades i Biophysical Journal.