Ang supercomputer simulation ay nagpapakita ng mga sanhi ng atrial fibrillation progression

Ang atrial fibrillation (AF) ay ang pinakakaraniwang uri ng hindi regular na ritmo ng puso, at sa paglipas ng panahon maaari itong lumala at maging permanente - isang malubhang karamdaman na nangungunang maiiwasang sanhi ng ischemic stroke, ayon sa NIH.

Si Nicolae Moise, isang postdoctoral fellow sa Department of Biomedical Engineering sa The Ohio State University (OSU), ay gumagamit ng computing resources ng NCSA at OSC upang pag-aralan ang pangmatagalang pag-unlad ng AF sa pag-asa na ang kanyang trabaho ay makakatulong sa pagbuo ng mga paggamot na maaaring huminto sa AF bago ito maging isang panghabambuhay na kondisyon. Ang kanyang pananaliksik ay nai-publish kamakailan sa JACC : Clinical Electrophysiology.

Ang AF ay isang uri ng irregular na ritmo ng puso kung saan ang mga upper chamber ng puso, ang atria, ay tumibok nang hindi sumasabay sa lower chambers. Ang nagsisimula bilang isang episodic phenomenon sa kalaunan ay nagiging permanente. Ang pagsasagawa ng mga eksperimento ng tao na may kinakailangang detalye ay mahirap, kaya modelo ni Moise ang mga proseso sa isang computer.

"Gumagamit kami ng mga modelo ng cardiac electrophysiology upang siyasatin kung paano ang panandaliang aktibidad ng cardiac (milliseconds hanggang segundo) ay nagtutulak ng mga pangmatagalang pagbabago sa cardiac tissue (mga araw hanggang linggo hanggang buwan)," sabi ni Moise. "Ang aming mga simulation ay, sa aking kaalaman, ang pinakamatagal hanggang sa kasalukuyan: nagmomodelo kami ng hanggang 24 na oras ng tuluy-tuloy na 2D na aktibidad ng kuryente."

Binibigyang-daan ng mga simulation ang mga mananaliksik na subaybayan ang lahat ng aspeto kung paano gumagana ang puso sa mahabang panahon. Bagama't ang puso ay tila medyo simple, ang pagpapatakbo ng isang simulation sa antas ng detalyeng ito ay nangangailangan ng maraming pag-compute.

"Ang lahat ng 2D simulation ay pinatakbo gamit ang CUDA code sa NCSA GPUs at DSP, na kritikal para sa pag-aaral ng mga ganoong katagal na sukat," sabi ni Moise.

"Kasama sa mga mapagkukunan ng NCSA na ginamit namin ang mga NVIDIA GPU na available sa pamamagitan ng Delta. Sa pamamagitan ng pagpapatakbo ng CUDA code sa mga NVIDIA GPU, nagawa naming pabilisin ang aming mga simulation nang humigit-kumulang 250 beses. Dahil ang aming pinakamahabang simulation sa pag-aaral na ito ay tumagal nang humigit-kumulang isang linggo, tumagal sila ng mga taon sa karaniwang PC o laptop."

Natuklasan ng koponan ni Moise ang isang kawili-wiling katangian ng puso sa AF. Habang tumataas ang tibok ng puso ng isang tao, ang mga selula sa puso ay umaangkop upang mapanatili ang balanse ng calcium. Ang kahanga-hangang kakayahan ng mga cell na ito ay may malubhang disbentaha: Ang parehong mga adaptasyon na ito ay ginagawang madaling kapitan ng sakit ang puso sa karagdagang mga arrhythmias. Ang isang mabisyo na ikot ay kasunod: Mas maraming mga cell ang umaangkop upang balansehin ang calcium habang nagpapatuloy ang kondisyon, na higit pang pinapataas ang pagkamaramdamin sa mga arrhythmia at kalaunan ay humahantong sa isang patuloy na hindi regular na tibok ng puso.

Ipinapakita ng trabaho ni Moise kung bakit napakahalagang matukoy ang AF nang maaga at gamutin ito upang mapanatili ang kalusugan ng puso.

"Ang aming pag-aaral ay nakatutok sa pinakakaraniwang cardiac arrhythmia, atrial fibrillation, isang pangunahing sanhi ng stroke at mataas na morbidity at mortality, sa pamamagitan ng computer simulation ng electrical activity ng puso," sabi ni Moise. "Ang gawaing ito ay nagpapahintulot sa amin na subaybayan sa unang pagkakataon ang pagsisimula at pangmatagalang pag-unlad ng sakit na ito, na sa huli ay hahantong sa pagbuo ng mas mahusay na mga gamot upang maiwasan o ihinto ang pag-unlad nito."

Ang pananaliksik ni Moise ay may potensyal na makabuluhang mapabuti ang paggamot sa AF sa pamamagitan ng pagbibigay sa mga doktor at siyentipiko ng bagong pananaw sa mga mekanismo na humahantong sa pag-unlad nito. Ang diskarte na ito ay maaaring magbigay ng inspirasyon sa mga siyentipiko na nagtatrabaho sa mga kaugnay na lugar ng cardiology at higit pa.

"Naniniwala kami na ang aming trabaho ay nagbubukas ng isang bagong temporal na dimensyon sa cardiac electrophysiology simulation, na nagpapakita na ang mga solong araw na simulation (at mas matagal pa) ay technically feasible," sabi ni Moise. "Ang diskarte na ito ay maaaring ilapat sa iba't ibang mga sakit, tulad ng sinus node dysfunction o arrhythmias na dulot ng myocardial infarction. Bukod pa rito, ang gawaing ito ay direktang sumusulong sa pananaliksik sa atrial fibrillation sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa unang pagkakataon na i-modelo ang pangmatagalang pag-unlad nito na dulot ng arrhythmic electrical activity, gayundin ang pagbubukas ng posibilidad ng pagsubok ng mga therapies na nagta-target sa intracellular na mga makinang pangregulasyon, sa wakas, inaasahan namin na ang iba pang mga regulatory machinery ay magsasaliksik sa unang pagkakataon. mga biyolohikal na hamon na sumasaklaw sa mas mahabang antas ng panahon.”

Sa mga pag-aaral sa hinaharap, plano ni Moise na pinuhin ang kanyang simulation upang isama ang mga potensyal na paggamot at higit pang patunayan ang kanyang mga natuklasan sa mga karagdagang eksperimento. Ang nakaraang kaugnay na gawain ay nai-publish sa Biophysical Journal.