Supercomputer-Simulation enthüllt Ursachen für das Fortschreiten von Vorhofflimmern

Vorhofflimmern (AF) ist die häufigste Form von Herzrhythmusstörungen und kann sich mit der Zeit verschlimmern und dauerhaft werden – eine ernste Erkrankung, die laut NIH die häufigste vermeidbare Ursache für ischämische Schlaganfälle ist.

Nicolae Moise, Postdoktorand in der Abteilung für Biomedizintechnik der Ohio State University (OSU), nutzt die Computerressourcen von NCSA und OSC, um den langfristigen Verlauf von Vorhofflimmern zu untersuchen. Er hofft, dass seine Arbeit zur Entwicklung von Behandlungsmethoden beiträgt, die Vorhofflimmern stoppen können, bevor es zu einer lebenslangen Erkrankung wird. Seine Forschungsergebnisse wurden kürzlich in JACC : Clinical Electrophysiology veröffentlicht.

Vorhofflimmern ist eine Form von Herzrhythmusstörung, bei der die oberen Herzkammern, die Vorhöfe, nicht synchron mit den unteren schlagen. Was als episodisches Phänomen beginnt, wird schließlich dauerhaft. Da es schwierig ist, Experimente mit der erforderlichen Detailgenauigkeit durchzuführen, modelliert Moise die Prozesse am Computer.

„Wir verwenden Modelle der Herzelektrophysiologie, um zu untersuchen, wie kurzfristige Herzaktivität (Millisekunden bis Sekunden) langfristige Veränderungen im Herzgewebe (Tage, Wochen bis Monate) bewirkt“, sagte Moise. „Unsere Simulationen sind meines Wissens die bisher längsten: Wir modellieren bis zu 24 Stunden kontinuierliche zweidimensionale elektrische Aktivität.“

Mithilfe von Simulationen können Forscher alle Aspekte der Herzfunktion über lange Zeiträume hinweg überwachen. Obwohl das Herz relativ einfach erscheint, erfordert eine Simulation auf diesem Detaillierungsgrad einen hohen Rechenaufwand.

„Alle 2D-Simulationen wurden mit CUDA-Code auf NCSA-GPUs und DSP ausgeführt, was für die Untersuchung solch langer Zeitskalen entscheidend war“, sagte Moise.

Zu den von uns genutzten NCSA-Ressourcen gehörten NVIDIA-GPUs, die über Delta erhältlich sind. Durch die Ausführung von CUDA-Code auf NVIDIA-GPUs konnten wir unsere Simulationen um das 250-fache beschleunigen. Da unsere längsten Simulationen in dieser Studie etwa eine Woche dauerten, hätten sie auf einem typischen PC oder Laptop Jahre gedauert.

Moises Team entdeckte eine interessante Eigenschaft des Herzens bei Vorhofflimmern. Steigt die Herzfrequenz, passen sich die Herzzellen an, um den Kalziumhaushalt aufrechtzuerhalten. Diese erstaunliche Fähigkeit der Zellen hat jedoch einen gravierenden Nachteil: Diese Anpassungen machen das Herz anfälliger für weitere Herzrhythmusstörungen. Ein Teufelskreis entsteht: Mit fortschreitender Erkrankung passen sich immer mehr Zellen an den Kalziumhaushalt an, was die Anfälligkeit für Herzrhythmusstörungen weiter erhöht und schließlich zu einem dauerhaft unregelmäßigen Herzschlag führt.

Moises Arbeit zeigt, warum es so wichtig ist, Vorhofflimmern frühzeitig zu erkennen und zu behandeln, um die Herzgesundheit zu erhalten.

„Unsere Studie konzentriert sich auf die häufigste Herzrhythmusstörung, das Vorhofflimmern, eine der Hauptursachen für Schlaganfälle und eine hohe Morbidität und Mortalität. Dafür simulieren wir die elektrische Aktivität des Herzens am Computer“, sagte Moise. „Dank dieser Arbeit können wir erstmals den Beginn und den langfristigen Verlauf dieser Krankheit verfolgen. Dies wird letztendlich zur Entwicklung besserer Medikamente führen, um ihr Fortschreiten zu verhindern oder zu stoppen.“

Moises Forschung hat das Potenzial, die Behandlung von Vorhofflimmern deutlich zu verbessern, indem sie Ärzten und Wissenschaftlern neue Einblicke in die Mechanismen gibt, die zu dessen Fortschreiten führen. Dieser Ansatz könnte Wissenschaftler in verwandten Bereichen der Kardiologie und darüber hinaus inspirieren.

„Wir glauben, dass unsere Arbeit eine neue zeitliche Dimension in der Simulation der kardialen Elektrophysiologie eröffnet und zeigt, dass eintägige (und sogar längere) Simulationen technisch machbar sind“, sagte Moise. „Dieser Ansatz könnte auf eine Vielzahl von Erkrankungen angewendet werden, wie zum Beispiel Sinusknotendysfunktion oder durch Herzinfarkt verursachte Arrhythmien. Darüber hinaus bringt diese Arbeit die Forschung zum Thema Vorhofflimmern direkt voran, indem sie erstmals die Modellierung des durch arrhythmische elektrische Aktivität verursachten Langzeitverlaufs ermöglicht und die Möglichkeit eröffnet, Therapien zu testen, die auf den intrazellulären Regulationsmechanismus abzielen. Schließlich hoffen wir, dass unsere Arbeit andere Forscher dazu inspiriert, sich biologischen Herausforderungen zu stellen, die sich über längere Zeiträume erstrecken.“

In zukünftigen Studien plant Moise, seine Simulation zu verfeinern, um mögliche Behandlungen einzubeziehen und seine Ergebnisse durch zusätzliche Experimente weiter zu validieren. Frühere Arbeiten dazu wurden im Biophysical Journal veröffentlicht.