סימולציית מחשב-על חושפת גורמים להתקדמות פרפור פרוזדורים

פרפור פרוזדורים (AF) הוא הסוג הנפוץ ביותר של קצב לב לא סדיר, ועם הזמן הוא יכול להחמיר ולהפוך לקבוע - הפרעה חמורה שהיא הגורם המוביל שניתן למנוע לשבץ איסכמי, על פי ה-NIH.

ניקולא מואיז, עמית פוסט-דוקטורט במחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת אוהיו סטייט (OSU), משתמש במשאבי המחשוב של NCSA ו-OSC כדי לחקור את ההתקדמות ארוכת הטווח של פרפור פרוזדורים בתקווה שעבודתו תסייע בפיתוח טיפולים שיוכלו לעצור פרפור פרוזדורים לפני שהוא יהפוך למצב לכל החיים. מחקרו פורסם לאחרונה ב-JACC : Clinical Electrophysiology.

פרפור פרוזדורים הוא סוג של קצב לב לא סדיר שבו חדרי הלב העליונים, הפרוזדורים, פועמים בצורה לא מסונכרנת עם חדרי הלב התחתונים. מה שמתחיל כתופעה אפיזודית הופך בסופו של דבר לקבוע. ביצוע ניסויים בבני אדם עם הפרטים הנדרשים הוא קשה, ולכן מואיז מדמה את התהליכים במחשב.

"אנו משתמשים במודלים של אלקטרופיזיולוגיה לבבית כדי לחקור כיצד פעילות לבבית לטווח קצר (מילישניות עד שניות) מניעה שינויים ארוכי טווח ברקמת הלב (ימים, שבועות וחודשים)", אמר מואיז. "הסימולציות שלנו הן, למיטב ידיעתי, הארוכות ביותר עד כה: אנו מדגמים עד 24 שעות של פעילות חשמלית דו-ממדית רציפה."

סימולציות מאפשרות לחוקרים לנטר את כל היבטי פעולת הלב לאורך תקופות זמן ארוכות. למרות שהלב עשוי להיראות פשוט יחסית, הרצת סימולציה ברמת פירוט זו דורשת הרבה חישובים.

"כל הסימולציות הדו-ממדיות בוצעו באמצעות קוד CUDA על גבי מעבדים גרפיים ו-DSP של NCSA, דבר שהיה קריטי לחקר סולמות זמן כה ארוכים", אמר מואיז.

"משאבי ה-NCSA בהם השתמשנו כללו מעבדי GPU של NVIDIA הזמינים דרך Delta. על ידי הרצת קוד CUDA על מעבדי GPU של NVIDIA, הצלחנו להאיץ את הסימולציות שלנו פי 250 בערך. מכיוון שהסימולציות הארוכות ביותר שלנו במחקר זה נמשכו כשבוע, הן היו לוקחות שנים על מחשב או מחשב נייד טיפוסי."

צוותו של מואיז גילה מאפיין מעניין של הלב בפרפור פרוזדורים. ככל שקצב הלב של אדם עולה, התאים בלב מסתגלים לשמירה על איזון סידן. ליכולת מדהימה זו של התאים יש חיסרון רציני: אותן התאמות הופכות את הלב נוטה להפרעות קצב נוספות. נוצר מעגל קסמים: יותר תאים מסתגלים לאיזון הסידן ככל שהמצב נמשך, מה שמגביר עוד יותר את הרגישות להפרעות קצב ובסופו של דבר מוביל לדופק לא סדיר מתמשך.

עבודתו של מואיז מראה מדוע חשוב כל כך לזהות פרפור פרוזדורים מוקדם ולטפל בו כדי לשמור על בריאות הלב.

"המחקר שלנו מתמקד בהפרעות קצב הלב הנפוצות ביותר, פרפור פרוזדורים, גורם עיקרי לשבץ מוחי ותחלואה ותמותה גבוהות, באמצעות סימולציות מחשב של הפעילות החשמלית של הלב", אמר מואיז. "עבודה זו מאפשרת לנו לעקוב לראשונה אחר תחילתה והתקדמותה ארוכת הטווח של מחלה זו, מה שיוביל בסופו של דבר לפיתוח תרופות טובות יותר למניעה או עצירה של התקדמותה."

למחקר של מואיז יש פוטנציאל לשפר משמעותית את הטיפול בפרפור פרוזדורים על ידי מתן פרספקטיבה חדשה לרופאים ולמדענים על המנגנונים המובילים להתקדמותה. גישה זו עשויה לעורר השראה במדענים העובדים בתחומים קשורים של קרדיולוגיה ומעבר לה.

"אנו מאמינים שעבודתנו פותחת מימד זמני חדש בסימולציות אלקטרופיזיולוגיה לבבית, ומראה כי סימולציות של יום אחד (ואפילו ארוכות יותר) הן אפשריות מבחינה טכנית", אמר מואיז. "גישה זו יכולה להיות מיושמת על מגוון מחלות, כגון תפקוד לקוי של בלוטות הסינוס או הפרעות קצב הנגרמות על ידי אוטם שריר הלב. בנוסף, עבודה זו מקדמת ישירות את המחקר על פרפור פרוזדורים בכך שהיא מאפשרת לראשונה לדמות את התקדמותו ארוכת הטווח הנגרמת על ידי פעילות חשמלית אריתמית, וכן פותחת את האפשרות לבדיקת טיפולים המכוונים למנגנון הרגולציה התוך-תאי. לבסוף, באופן רחב יותר, אנו מקווים שעבודתנו תעורר השראה בחוקרים אחרים להתמודד עם אתגרים ביולוגיים המשתרעים על פני טווחי זמן ארוכים יותר."

במחקרים עתידיים, מואיז מתכנן לחדד את הסימולציה שלו כדי לשלב טיפולים פוטנציאליים ולאמת עוד יותר את ממצאיו באמצעות ניסויים נוספים. עבודות קודמות בנושא פורסמו בכתב העת Biophysical Journal.