Supercomputersimulatie onthult oorzaken van progressie van atriumfibrilleren

Volgens het NIH is atriumfibrilleren (AF) de meest voorkomende vorm van een onregelmatige hartslag. Na verloop van tijd kan het verergeren en permanent worden. Het is een ernstige aandoening die de belangrijkste vermijdbare oorzaak is van ischemische beroertes.

Nicolae Moise, postdoctoraal onderzoeker aan de afdeling Biomedische Technologie van de Ohio State University (OSU), gebruikt de computercapaciteit van NCSA en OSC om de progressie van AF op de lange termijn te bestuderen. Hij hoopt dat zijn werk zal bijdragen aan de ontwikkeling van behandelingen die AF kunnen stoppen voordat het een levenslange aandoening wordt. Zijn onderzoek is onlangs gepubliceerd in JACC : Clinical Electrophysiology.

AF is een vorm van hartritmestoornis waarbij de bovenste hartkamers, de atria, niet synchroon kloppen met de onderste hartkamers. Wat begint als een episodisch fenomeen, wordt uiteindelijk permanent. Het uitvoeren van menselijke experimenten met de nodige details is moeilijk, dus Moise modelleert de processen op een computer.

"We gebruiken elektrofysiologische modellen van het hart om te onderzoeken hoe kortdurende hartactiviteit (van milliseconden tot seconden) veranderingen in het hartweefsel op de lange termijn (van dagen tot weken tot maanden) teweegbrengt", aldus Moise. "Onze simulaties zijn, voor zover ik weet, de langste tot nu toe: we modelleren tot 24 uur aan continue 2D-elektrische activiteit."

Simulaties stellen onderzoekers in staat om alle aspecten van de werking van het hart gedurende langere tijd te monitoren. Hoewel het hart relatief eenvoudig lijkt, vereist het uitvoeren van een simulatie op dit detailniveau veel rekenkracht.

"Alle 2D-simulaties werden uitgevoerd met behulp van CUDA-code op NCSA GPU's en DSP, wat cruciaal was voor het bestuderen van zulke lange tijdschalen", aldus Moise.

De NCSA-bronnen die we gebruikten, omvatten NVIDIA GPU's die beschikbaar zijn via Delta. Door CUDA-code op NVIDIA GPU's te draaien, konden we onze simulaties ongeveer 250 keer versnellen. Omdat onze langste simulaties in deze studie ongeveer een week duurden, zouden ze op een typische pc of laptop jaren hebben geduurd.

Moise's team ontdekte een interessante eigenschap van het hart bij AF. Naarmate de hartslag toeneemt, passen de cellen in het hart zich aan om de calciumbalans te handhaven. Dit verbazingwekkende vermogen van de cellen heeft een ernstig nadeel: deze aanpassingen maken het hart vatbaarder voor verdere hartritmestoornissen. Er ontstaat een vicieuze cirkel: naarmate de aandoening aanhoudt, passen meer cellen zich aan om de calciumbalans te handhaven, wat de vatbaarheid voor hartritmestoornissen verder vergroot en uiteindelijk leidt tot een aanhoudende onregelmatige hartslag.

Het werk van Moise laat zien waarom het zo belangrijk is om AF in een vroeg stadium te ontdekken en te behandelen om de gezondheid van het hart te behouden.

"Ons onderzoek richt zich op de meest voorkomende hartritmestoornis, atriumfibrilleren, een belangrijke oorzaak van beroertes en hoge morbiditeit en mortaliteit, door middel van computersimulaties van de elektrische activiteit van het hart", aldus Moise. "Dit werk stelt ons voor het eerst in staat om het ontstaan en de progressie op lange termijn van deze ziekte te volgen, wat uiteindelijk zal leiden tot de ontwikkeling van betere medicijnen om de progressie ervan te voorkomen of te stoppen."

Moise's onderzoek heeft de potentie om de behandeling van AF aanzienlijk te verbeteren door artsen en wetenschappers een nieuw perspectief te bieden op de mechanismen die tot de progressie ervan leiden. Deze aanpak kan wetenschappers inspireren die in aanverwante gebieden binnen de cardiologie en daarbuiten werken.

"Wij geloven dat ons werk een nieuwe temporele dimensie opent in cardiale elektrofysiologische simulaties, wat aantoont dat simulaties van één dag (en zelfs langer) technisch haalbaar zijn", aldus Moise. "Deze aanpak kan worden toegepast op diverse ziekten, zoals sinusknoopdisfunctie of aritmieën veroorzaakt door een hartinfarct. Bovendien draagt dit werk direct bij aan het onderzoek naar atriumfibrilleren, doordat het voor het eerst mogelijk is om de langetermijnprogressie ervan, veroorzaakt door aritmische elektrische activiteit, te modelleren. Ook biedt het de mogelijkheid om therapieën te testen die zich richten op het intracellulaire regulatiemechanisme. Tot slot hopen we, in bredere zin, dat ons werk andere onderzoekers zal inspireren om biologische uitdagingen aan te gaan die zich over langere tijdschalen uitstrekken."

In toekomstige studies is Moise van plan zijn simulatie te verfijnen om potentiële behandelingen te integreren en zijn bevindingen verder te valideren met aanvullende experimenten. Eerder gerelateerd werk is gepubliceerd in het Biophysical Journal.