Superarvuti simulatsioon paljastab kodade virvenduse progresseerumise põhjused

Kodade virvendusarütmia (AF) on kõige levinum ebaregulaarse südamerütmi tüüp ning aja jooksul võib see süveneda ja muutuda püsivaks – tõsine häire, mis on NIH andmetel isheemilise insuldi peamine ennetatav põhjus.

Nicolae Moise, Ohio Osariigi Ülikooli (OSU) biomeditsiinitehnika osakonna järeldoktor, kasutab NCSA ja OSC arvutusressursse kodade virvenduse pikaajalise progresseerumise uurimiseks lootuses, et tema töö aitab välja töötada ravimeetodeid, mis suudavad kodade virvenduse peatada enne, kui see muutub elukestvaks seisundiks. Tema uurimus avaldati hiljuti ajakirjas JACC : Clinical Electrophysiology.

AF on ebaregulaarne südamerütm, mille puhul südame ülemised kambrid ehk kodad löövad alumiste kambritega sünkroonist väljas. See, mis algab episoodilise nähtusena, muutub lõpuks püsivaks. Inimkatsete läbiviimine vajaliku detailsusega on keeruline, seega modelleerib Moise protsesse arvutis.

„Me kasutame südame elektrofüsioloogia mudeleid, et uurida, kuidas lühiajaline südametegevus (millisekunditest sekunditeni) põhjustab südamekoes pikaajalisi muutusi (päevadest nädalateni ja kuudeni),“ ütles Moise. „Meie simulatsioonid on minu teada seni kõige pikemad: modelleerime kuni 24 tundi pidevat kahemõõtmelist elektrilist aktiivsust.“

Simulatsioonid võimaldavad teadlastel jälgida südame töö kõiki aspekte pika aja jooksul. Kuigi süda võib tunduda suhteliselt lihtne, nõuab sellise detailsusega simulatsiooni käivitamine palju arvutusi.

„Kõik 2D simulatsioonid käivitati CUDA koodi abil NCSA GPU-del ja DSP-l, mis oli nii pikkade ajavahemike uurimisel kriitilise tähtsusega,“ ütles Moise.

„Meie kasutatud NCSA ressursside hulka kuulusid Delta kaudu saadaolevad NVIDIA GPU-d. CUDA koodi NVIDIA GPU-del käitades suutsime oma simulatsioone umbes 250 korda kiirendada. Kuna meie pikimad simulatsioonid selles uuringus kestsid umbes nädala, oleksid need tüüpilisel arvutil või sülearvutil võtnud aastaid.“

Moise'i meeskond avastas kodade virvendusega patsiendi südames huvitava omaduse. Kui inimese südame löögisagedus tõuseb, kohanevad südamerakud kaltsiumi tasakaalu säilitamiseks. Sellel hämmastaval rakkude võimel on tõsine puudus: samad kohandused muudavad südame vastuvõtlikumaks edasistele arütmiatele. Tekib nõiaring: seisundi jätkudes kohaneb üha rohkem rakke kaltsiumi tasakaalustamiseks, suurendades veelgi arütmiate tekkeriski ja viies lõpuks püsiva ebaregulaarse südamelöögini.

Moise'i töö näitab, miks on südame tervise säilitamiseks nii oluline kodade virvendust varakult avastada ja ravida.

„Meie uuring keskendub südame elektrilise aktiivsuse arvutisimulatsioonide abil kõige levinumale südame rütmihäirele, kodade virvendusele, mis on insuldi ning kõrge haigestumuse ja suremuse peamine põhjus,“ ütles Moise. „See töö võimaldab meil esmakordselt jälgida selle haiguse algust ja pikaajalist progresseerumist, mis viib lõpuks paremate ravimite väljatöötamiseni selle progresseerumise ennetamiseks või peatamiseks.“

Moise'i uurimistööl on potentsiaal oluliselt parandada kodade virvenduse ravi, andes arstidele ja teadlastele uue vaatenurga selle progresseerumise mehhanismidele. See lähenemisviis võiks inspireerida teadlasi, kes töötavad kardioloogiaga seotud valdkondades ja kaugemalgi.

„Usume, et meie töö avab südame elektrofüsioloogia simulatsioonides uue ajalise dimensiooni, näidates, et ühepäevased (ja isegi pikemad) simulatsioonid on tehniliselt teostatavad,“ ütles Moise. „Seda lähenemisviisi saaks rakendada mitmesuguste haiguste, näiteks siinussõlme düsfunktsiooni või müokardiinfarkti põhjustatud arütmiate korral. Lisaks edendab see töö otseselt kodade virvenduse uurimist, võimaldades esmakordselt modelleerida selle pikaajalist progresseerumist, mis on põhjustatud arütmilisest elektrilisest aktiivsusest, ning avades võimaluse testida ravimeetodeid, mis on suunatud rakusisese regulatsioonimehhanismidele. Lõpuks loodame laiemalt, et meie töö inspireerib teisi teadlasi tegelema bioloogiliste väljakutsetega, mis hõlmavad pikemaid ajavahemikke.“

Edasistes uuringutes plaanib Moise oma simulatsiooni täiustada, et lisada võimalikke ravimeetodeid ja kinnitada oma tulemusi täiendavate katsetega. Varasem seotud töö avaldati ajakirjas Biophysical Journal.