Una simulazione al supercomputer rivela le cause della progressione della fibrillazione atriale

La fibrillazione atriale (FA) è il tipo più comune di ritmo cardiaco irregolare e, col tempo, può peggiorare e diventare permanente: un disturbo grave che, secondo il NIH, rappresenta la principale causa prevenibile di ictus ischemico.

Nicolae Moise, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Ohio State University (OSU), sta utilizzando le risorse informatiche di NCSA e OSC per studiare la progressione a lungo termine della FA, nella speranza che il suo lavoro contribuisca a sviluppare trattamenti in grado di arrestare la FA prima che diventi una condizione cronica. La sua ricerca è stata recentemente pubblicata su JACC : Clinical Electrophysiology.

La FA è un tipo di ritmo cardiaco irregolare in cui le camere superiori del cuore, gli atri, battono fuori sincrono con quelle inferiori. Ciò che inizia come un fenomeno episodico alla fine diventa permanente. Condurre esperimenti sull'uomo con i necessari dettagli è difficile, quindi Moise modella i processi al computer.

"Utilizziamo modelli di elettrofisiologia cardiaca per studiare come l'attività cardiaca a breve termine (da millisecondi a secondi) determini cambiamenti a lungo termine nel tessuto cardiaco (da giorni a settimane a mesi)", ha affermato Moise. "Le nostre simulazioni sono, a mia conoscenza, le più lunghe finora condotte: modelliamo fino a 24 ore di attività elettrica 2D continua".

Le simulazioni consentono ai ricercatori di monitorare tutti gli aspetti del funzionamento del cuore per lunghi periodi di tempo. Sebbene il cuore possa sembrare relativamente semplice, eseguire una simulazione a questo livello di dettaglio richiede un notevole sforzo di calcolo.

"Tutte le simulazioni 2D sono state eseguite utilizzando il codice CUDA su GPU NCSA e DSP, il che è stato fondamentale per studiare scale temporali così lunghe", ha affermato Moise.

"Le risorse NCSA che abbiamo utilizzato includevano GPU NVIDIA disponibili tramite Delta. Eseguendo codice CUDA su GPU NVIDIA, siamo riusciti a velocizzare le nostre simulazioni di circa 250 volte. Poiché le simulazioni più lunghe in questo studio sono durate circa una settimana, avrebbero richiesto anni su un normale PC o laptop."

Il team di Moise ha scoperto un'interessante caratteristica del cuore nella FA. Con l'aumentare della frequenza cardiaca, le cellule cardiache si adattano per mantenere l'equilibrio del calcio. Questa straordinaria capacità delle cellule presenta un grave svantaggio: questi stessi adattamenti rendono il cuore soggetto a ulteriori aritmie. Si innesca un circolo vizioso: con il progredire della condizione, sempre più cellule si adattano per bilanciare il calcio, aumentando ulteriormente la suscettibilità alle aritmie e portando infine a un battito cardiaco irregolare persistente.

Il lavoro di Moise dimostra perché è così importante individuare precocemente la FA e trattarla per preservare la salute del cuore.

"Il nostro studio si concentra sull'aritmia cardiaca più comune, la fibrillazione atriale, una delle principali cause di ictus e di elevata morbilità e mortalità, attraverso simulazioni al computer dell'attività elettrica del cuore", ha affermato Moise. "Questo lavoro ci consente di monitorare per la prima volta l'inizio e la progressione a lungo termine di questa malattia, il che porterà infine allo sviluppo di farmaci più efficaci per prevenirne o arrestarne la progressione".

La ricerca di Moise ha il potenziale per migliorare significativamente il trattamento della FA, offrendo a medici e scienziati una nuova prospettiva sui meccanismi che ne determinano la progressione. Questo approccio potrebbe ispirare gli scienziati che lavorano in ambiti correlati della cardiologia e non solo.

"Riteniamo che il nostro lavoro apra una nuova dimensione temporale nelle simulazioni di elettrofisiologia cardiaca, dimostrando che simulazioni di un solo giorno (e anche più lunghe) sono tecnicamente fattibili", ha affermato Moise. "Questo approccio potrebbe essere applicato a una varietà di patologie, come la disfunzione del nodo senoatriale o le aritmie causate dall'infarto del miocardio. Inoltre, questo lavoro fa progredire direttamente la ricerca sulla fibrillazione atriale, consentendo per la prima volta di modellare la sua progressione a lungo termine causata dall'attività elettrica aritmica, oltre ad aprire la possibilità di testare terapie che colpiscono il meccanismo di regolazione intracellulare. Infine, più in generale, speriamo che il nostro lavoro ispiri altri ricercatori ad affrontare sfide biologiche che si estendono su scale temporali più lunghe".

In studi futuri, Moise prevede di perfezionare la sua simulazione per incorporare potenziali trattamenti e convalidare ulteriormente i suoi risultati con ulteriori esperimenti. Precedenti lavori correlati sono stati pubblicati sulla rivista Biophysical Journal.