Superpočítačová simulace odhaluje příčiny progrese fibrilace síní

Fibrilace síní (FS) je nejčastějším typem nepravidelného srdečního rytmu a časem se může zhoršit a stát se trvalou – závažné onemocnění, které je podle NIH hlavní příčinou ischemické cévní mozkové příhody, které lze předcházet.

Nicolae Moise, postdoktorand na katedře biomedicínského inženýrství na Ohio State University (OSU), využívá výpočetní zdroje NCSA a OSC ke studiu dlouhodobého vývoje fibrilace síní v naději, že jeho práce pomůže vyvinout léčebné postupy, které mohou fibrilaci síní zastavit dříve, než se stane celoživotním onemocněním. Jeho výzkum byl nedávno publikován v časopise JACC : Clinical Electrophysiology.

Fibrilace síní je typ nepravidelného srdečního rytmu, při kterém horní komory srdce, síně, bijí nesynchronizovaně s dolními komorami. Co začíná jako epizodický jev, se nakonec stává trvalým. Provádění lidských experimentů s potřebnými detaily je obtížné, a proto Moise modeluje procesy na počítači.

„Používáme modely srdeční elektrofyziologie k prozkoumání toho, jak krátkodobá srdeční aktivita (milisekundy až sekundy) vyvolává dlouhodobé změny v srdeční tkáni (dny až týdny až měsíce),“ řekl Moise. „Naše simulace jsou, pokud vím, dosud nejdelší: modelujeme až 24 hodin nepřetržité 2D elektrické aktivity.“

Simulace umožňují vědcům sledovat všechny aspekty fungování srdce po dlouhou dobu. Ačkoli se srdce může zdát relativně jednoduché, spuštění simulace na této úrovni detailů vyžaduje mnoho výpočtů.

„Všechny 2D simulace byly provedeny pomocí kódu CUDA na grafických procesorech a digitálních signálových procesorech NCSA, což bylo klíčové pro studium tak dlouhých časových rámců,“ řekl Moise.

„Mezi zdroje NCSA, které jsme použili, patřily grafické karty NVIDIA dostupné prostřednictvím společnosti Delta. Spuštěním kódu CUDA na grafických procesorech NVIDIA jsme byli schopni zrychlit naše simulace přibližně 250krát. Vzhledem k tomu, že naše nejdelší simulace v této studii trvaly přibližně týden, na typickém počítači nebo notebooku by trvaly roky.“

Moiseův tým objevil u fibrilace síní zajímavou vlastnost srdce. S rostoucí srdeční frekvencí se buňky v srdci přizpůsobují, aby udržely rovnováhu vápníku. Tato úžasná schopnost buněk má však vážnou nevýhodu: Tytéž adaptace činí srdce náchylnějším k dalším arytmiím. Vzniká začarovaný kruh: S pokračujícím stavem se stále více buněk přizpůsobuje vyrovnávání vápníku, což dále zvyšuje náchylnost k arytmiím a nakonec vede k přetrvávajícímu nepravidelnému srdečnímu rytmu.

Moiseova práce ukazuje, proč je tak důležité včas odhalit fibrilaci síní a léčit ji pro udržení zdraví srdce.

„Naše studie se zaměřuje na nejčastější srdeční arytmii, fibrilaci síní, hlavní příčinu mrtvice a vysoké morbidity a mortality, a to prostřednictvím počítačových simulací elektrické aktivity srdce,“ řekl Moise. „Tato práce nám poprvé umožňuje sledovat vznik a dlouhodobý vývoj tohoto onemocnění, což nakonec povede k vývoji lepších léků k prevenci nebo zastavení jeho progrese.“

Moiseův výzkum má potenciál významně zlepšit léčbu fibrilace síní tím, že lékařům a vědcům poskytne nový pohled na mechanismy, které vedou k její progresi. Tento přístup by mohl inspirovat vědce pracující v souvisejících oblastech kardiologie i mimo ni.

„Věříme, že naše práce otevírá nový časový rozměr v simulacích srdeční elektrofyziologie a ukazuje, že jednodenní (a dokonce i delší) simulace jsou technicky proveditelné,“ řekl Moise. „Tento přístup by mohl být aplikován na řadu onemocnění, jako je dysfunkce sinusového uzlu nebo arytmie způsobené infarktem myokardu. Tato práce navíc přímo podporuje výzkum fibrilace síní tím, že poprvé umožňuje modelovat její dlouhodobý vývoj způsobený arytmickou elektrickou aktivitou a také otevírá možnost testování terapií zaměřených na intracelulární regulační mechanismy. A konečně, obecněji doufáme, že naše práce inspiruje další výzkumníky k řešení biologických výzev, které sahají do delších časových horizontů.“

V budoucích studiích plánuje Moise svou simulaci zdokonalit tak, aby zahrnovala potenciální léčebné postupy, a dále ověřit svá zjištění dalšími experimenty. Předchozí související práce byla publikována v časopise Biophysical Journal.