Mô phỏng siêu máy tính tiết lộ nguyên nhân gây ra sự tiến triển của rung nhĩ

Theo NIH, rung nhĩ (AF) là loại nhịp tim bất thường phổ biến nhất và theo thời gian, tình trạng này có thể trở nên trầm trọng hơn và trở thành vĩnh viễn - một rối loạn nghiêm trọng là nguyên nhân hàng đầu có thể phòng ngừa được gây ra đột quỵ do thiếu máu cục bộ.

Nicolae Moise, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Y sinh thuộc Đại học Bang Ohio (OSU), đang sử dụng tài nguyên máy tính của NCSA và OSC để nghiên cứu sự tiến triển lâu dài của AF với hy vọng rằng công trình của ông sẽ giúp phát triển các phương pháp điều trị có thể ngăn chặn AF trước khi nó trở thành một tình trạng bệnh lý suốt đời. Nghiên cứu của ông gần đây đã được công bố trên tạp chí JACC : Clinical Electrophysiology.

AF là một loại nhịp tim bất thường, trong đó các buồng tim trên, tức tâm nhĩ, đập không đồng bộ với các buồng tim dưới. Ban đầu là một hiện tượng từng cơn, cuối cùng sẽ trở thành vĩnh viễn. Việc tiến hành các thí nghiệm trên người với độ chi tiết cần thiết rất khó khăn, vì vậy Moise đã mô hình hóa các quá trình này trên máy tính.

"Chúng tôi sử dụng các mô hình điện sinh lý tim để nghiên cứu cách hoạt động tim ngắn hạn (tính bằng mili giây đến giây) thúc đẩy những thay đổi lâu dài trong mô tim (tính bằng ngày, tuần, tháng)", Moise nói. "Theo tôi biết, các mô phỏng của chúng tôi là dài nhất từ trước đến nay: chúng tôi mô hình hóa hoạt động điện 2D liên tục lên đến 24 giờ."

Mô phỏng cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi mọi khía cạnh hoạt động của tim trong thời gian dài. Mặc dù tim có vẻ tương đối đơn giản, nhưng việc chạy mô phỏng ở mức độ chi tiết này đòi hỏi rất nhiều tính toán.

Moise cho biết: “Tất cả các mô phỏng 2D đều được chạy bằng mã CUDA trên GPU NCSA và DSP, điều này rất quan trọng để nghiên cứu các thang thời gian dài như vậy”.

“Tài nguyên NCSA mà chúng tôi sử dụng bao gồm GPU NVIDIA có sẵn thông qua Delta. Bằng cách chạy mã CUDA trên GPU NVIDIA, chúng tôi đã có thể tăng tốc độ mô phỏng lên khoảng 250 lần. Vì các mô phỏng dài nhất trong nghiên cứu này kéo dài khoảng một tuần, nên chúng sẽ mất nhiều năm nếu chạy trên một máy tính cá nhân hoặc máy tính xách tay thông thường.”

Nhóm của Moise đã phát hiện ra một đặc điểm thú vị của tim trong bệnh AF. Khi nhịp tim của một người tăng lên, các tế bào trong tim sẽ thích nghi để duy trì sự cân bằng canxi. Khả năng tuyệt vời này của các tế bào đi kèm với một nhược điểm nghiêm trọng: Chính những sự thích nghi này khiến tim dễ bị loạn nhịp tim hơn. Một vòng luẩn quẩn xảy ra: Càng nhiều tế bào thích nghi để cân bằng canxi khi tình trạng bệnh kéo dài, càng làm tăng nguy cơ loạn nhịp tim và cuối cùng dẫn đến nhịp tim không đều dai dẳng.

Nghiên cứu của Moise cho thấy tầm quan trọng của việc phát hiện sớm AF và điều trị để duy trì sức khỏe tim mạch.

"Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào chứng loạn nhịp tim phổ biến nhất, rung nhĩ, một nguyên nhân chính gây đột quỵ và tỷ lệ mắc bệnh và tử vong cao, thông qua mô phỏng hoạt động điện của tim trên máy tính", Moise nói. "Nghiên cứu này cho phép chúng tôi lần đầu tiên theo dõi sự khởi phát và tiến triển lâu dài của căn bệnh này, từ đó cuối cùng sẽ dẫn đến việc phát triển các loại thuốc tốt hơn để ngăn ngừa hoặc ngăn chặn sự tiến triển của nó."

Nghiên cứu của Moise có tiềm năng cải thiện đáng kể việc điều trị AF bằng cách cung cấp cho các bác sĩ và nhà khoa học một góc nhìn mới về các cơ chế dẫn đến sự tiến triển của bệnh. Cách tiếp cận này có thể truyền cảm hứng cho các nhà khoa học làm việc trong các lĩnh vực liên quan đến tim mạch và hơn thế nữa.

“Chúng tôi tin rằng công trình của chúng tôi mở ra một hướng đi mới về mặt thời gian trong mô phỏng điện sinh lý tim, cho thấy việc mô phỏng trong một ngày (và thậm chí lâu hơn) là khả thi về mặt kỹ thuật”, Moise nói. “Cách tiếp cận này có thể được áp dụng cho nhiều bệnh lý khác nhau, chẳng hạn như rối loạn chức năng nút xoang hoặc loạn nhịp tim do nhồi máu cơ tim. Ngoài ra, công trình này còn trực tiếp thúc đẩy nghiên cứu về rung nhĩ bằng cách lần đầu tiên cho phép mô hình hóa quá trình tiến triển lâu dài của bệnh do hoạt động điện loạn nhịp, cũng như mở ra khả năng thử nghiệm các liệu pháp nhắm vào cơ chế điều hòa nội bào. Cuối cùng, trên phạm vi rộng hơn, chúng tôi hy vọng rằng công trình của chúng tôi sẽ truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác giải quyết những thách thức sinh học kéo dài hơn.”

Trong các nghiên cứu tương lai, Moise dự định sẽ tinh chỉnh mô phỏng của mình để kết hợp các phương pháp điều trị tiềm năng và xác nhận thêm những phát hiện của mình bằng các thí nghiệm bổ sung. Các công trình liên quan trước đây đã được công bố trên Tạp chí Biophysical.