Суперкомпютърна симулация разкрива причините за прогресията на предсърдното мъждене

Предсърдното мъждене (ПМ) е най-често срещаният вид нередовен сърдечен ритъм и с течение на времето може да се влоши и да стане постоянно - сериозно заболяване, което е водещата предотвратима причина за исхемичен инсулт, според NIH.

Николае Мойзе, постдокторант в катедрата по биомедицинско инженерство в Държавния университет на Охайо (OSU), използва изчислителните ресурси на NCSA и OSC, за да проучи дългосрочната прогресия на предсърдно мъждене с надеждата, че работата му ще помогне за разработването на лечения, които могат да спрат предсърдно мъждене, преди то да се превърне в състояние, продължаващо цял живот. Неговото изследване беше публикувано наскоро в JACC : Clinical Electrophysiology.

Предсърдно мъждене (ПМ) е вид неправилен сърдечен ритъм, при който горните камери на сърцето, предсърдията, бият несинхронизирано с долните камери. Това, което започва като епизодично явление, в крайна сметка става постоянно. Провеждането на човешки експерименти с необходимите детайли е трудно, затова Моиз моделира процесите на компютър.

„Използваме модели на сърдечна електрофизиология, за да изследваме как краткосрочната сърдечна активност (милисекунди до секунди) води до дългосрочни промени в сърдечната тъкан (дни до седмици и месеци)“, каза Мойзе. „Доколкото ми е известно, нашите симулации са най-дългите до момента: моделираме до 24 часа непрекъсната 2D електрическа активност.“

Симулациите позволяват на изследователите да наблюдават всички аспекти на работата на сърцето за дълги периоди от време. Въпреки че сърцето може да изглежда сравнително просто, провеждането на симулация на това ниво на детайлност изисква много изчисления.

„Всички 2D симулации бяха изпълнени с помощта на CUDA код на NCSA графични процесори и DSP, което беше от решаващо значение за изучаване на такива дълги времеви мащаби“, каза Мойзе.

„Ресурсите на NCSA, които използвахме, включваха графични процесори NVIDIA, достъпни чрез Delta. Чрез изпълнение на CUDA код на графични процесори NVIDIA успяхме да ускорим симулациите си около 250 пъти. Тъй като най-дългите ни симулации в това проучване продължиха около седмица, те биха отнели години на типичен компютър или лаптоп.“

Екипът на Мойз откри интересна характеристика на сърцето при предсърдно мъждене. С увеличаването на сърдечната честота на човек, клетките в сърцето се адаптират, за да поддържат калциевия баланс. Тази удивителна способност на клетките е съпроводена със сериозен недостатък: същите тези адаптации правят сърцето податливо на по-нататъшни аритмии. Получава се порочен кръг: повече клетки се адаптират, за да балансират калция, докато състоянието продължава, което допълнително увеличава податливостта към аритмии и в крайна сметка води до персистиращ неравномерен сърдечен ритъм.

Работата на Моис показва защо е толкова важно да се открие предсърдно мъждене рано и да се лекува, за да се поддържа здравето на сърцето.

„Нашето проучване се фокусира върху най-често срещаната сърдечна аритмия, предсърдно мъждене, основна причина за инсулт и висока заболеваемост и смъртност, чрез компютърни симулации на електрическата активност на сърцето“, каза Моис. „Тази работа ни позволява да проследим за първи път началото и дългосрочното развитие на това заболяване, което в крайна сметка ще доведе до разработването на по-добри лекарства за предотвратяване или спиране на неговото развитие.“

Изследването на Моис има потенциала значително да подобри лечението на предсърдно мъждене, като даде на лекарите и учените нова перспектива върху механизмите, които водят до неговото прогресиране. Този подход би могъл да вдъхнови учените, работещи в сродни области на кардиологията и извън нея.

„Вярваме, че нашата работа открива ново времево измерение в симулациите на сърдечната електрофизиология, показвайки, че еднодневните симулации (и дори по-дългите) са технически осъществими“, каза Мойзе. „Този подход може да се приложи към различни заболявания, като дисфункция на синусовия възел или аритмии, причинени от миокарден инфаркт. Освен това, тази работа директно развива изследванията върху предсърдното мъждене, като позволява за първи път да се моделира дългосрочната му прогресия, причинена от аритмична електрическа активност, както и отваря възможността за тестване на терапии, насочени към вътреклетъчния регулаторен апарат. И накрая, в по-широк смисъл, надяваме се, че нашата работа ще вдъхнови други изследователи да се справят с биологични предизвикателства, които обхващат по-дълги времеви мащаби.“

В бъдещи проучвания Моис планира да усъвършенства симулацията си, за да включи потенциални лечения и допълнително да валидира откритията си с допълнителни експерименти. Предишна свързана работа е публикувана в Biophysical Journal.