การจำลองด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์เผยให้เห็นสาเหตุของการดำเนินของภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ

ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะชนิด AF เป็นภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะชนิดที่พบบ่อยที่สุด และเมื่อเวลาผ่านไป อาการอาจแย่ลงและกลายเป็นภาวะถาวรได้ ซึ่งเป็นความผิดปกติร้ายแรงที่เป็นสาเหตุหลักที่สามารถป้องกันได้ของโรคหลอดเลือดสมองตีบ ตามข้อมูลของ NIH

นิโคเล มอยส์ นักวิจัยหลังปริญญาเอก ภาควิชาวิศวกรรมชีวการแพทย์ มหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตต (OSU) กำลังใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์ของ NCSA และ OSC เพื่อศึกษาความก้าวหน้าในระยะยาวของภาวะ AF โดยหวังว่างานวิจัยของเขาจะช่วยพัฒนาวิธีการรักษาที่สามารถหยุดยั้งภาวะ AF ก่อนที่จะกลายเป็นภาวะเรื้อรังตลอดชีวิต งานวิจัยของเขาเพิ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร JACC : Clinical Electrophysiology

ภาวะหัวใจห้องบนเต้นผิดปกติ (AF) คือภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะชนิดหนึ่ง ซึ่งหัวใจห้องบนเต้นไม่ประสานกับหัวใจห้องล่าง อาการเริ่มต้นจากภาวะหัวใจเต้นเป็นจังหวะเป็นครั้งคราว ในที่สุดก็จะกลายเป็นภาวะถาวร การทดลองกับมนุษย์อย่างละเอียดถี่ถ้วนเป็นเรื่องยาก ดังนั้น Moise จึงจำลองกระบวนการเหล่านี้บนคอมพิวเตอร์

“เราใช้แบบจำลองสรีรวิทยาไฟฟ้าหัวใจเพื่อศึกษาว่ากิจกรรมของหัวใจในระยะสั้น (มิลลิวินาทีถึงวินาที) ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงระยะยาวในเนื้อเยื่อหัวใจ (หลายวันถึงหลายสัปดาห์ถึงหลายเดือน) อย่างไร” มอยส์กล่าว “เท่าที่ผมทราบ การจำลองของเรามีระยะเวลายาวนานที่สุดจนถึงปัจจุบัน เราจำลองกิจกรรมไฟฟ้า 2 มิติต่อเนื่องนานถึง 24 ชั่วโมง”

การจำลองสถานการณ์ช่วยให้นักวิจัยสามารถติดตามการทำงานของหัวใจได้ในทุกแง่มุมเป็นระยะเวลานาน แม้ว่าหัวใจอาจดูเรียบง่าย แต่การจำลองสถานการณ์ในรายละเอียดระดับนี้ต้องใช้การคำนวณจำนวนมาก

“การจำลอง 2 มิติทั้งหมดทำงานโดยใช้โค้ด CUDA บน GPU ของ NCSA และ DSP ซึ่งมีความสำคัญต่อการศึกษาช่วงเวลาที่ยาวนานดังกล่าว” Moise กล่าว

ทรัพยากรของ NCSA ที่เราใช้ประกอบด้วย GPU ของ NVIDIA ที่มีให้บริการผ่าน Delta การรันโค้ด CUDA บน GPU ของ NVIDIA ทำให้เราสามารถเร่งความเร็วในการจำลองได้ประมาณ 250 เท่า เนื่องจากการจำลองที่ใช้เวลานานที่สุดในการศึกษานี้ใช้เวลาประมาณหนึ่งสัปดาห์ การจำลองบนพีซีหรือแล็ปท็อปทั่วไปจึงใช้เวลาหลายปี

ทีมของ Moise ค้นพบลักษณะที่น่าสนใจของหัวใจในภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้ว (AF) เมื่ออัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มขึ้น เซลล์ในหัวใจจะปรับตัวเพื่อรักษาสมดุลของแคลเซียม ความสามารถอันน่าทึ่งนี้ของเซลล์มาพร้อมกับข้อเสียร้ายแรง นั่นคือ การปรับตัวแบบเดียวกันนี้ทำให้หัวใจมีแนวโน้มที่จะเกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะมากขึ้น วงจรอุบาทว์จึงเกิดขึ้น เซลล์จำนวนมากขึ้นจะปรับตัวเพื่อรักษาสมดุลของแคลเซียมเมื่อภาวะนี้ดำเนินต่อไป ส่งผลให้ความเสี่ยงต่อภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะเพิ่มมากขึ้น และในที่สุดนำไปสู่ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะเรื้อรัง

ผลงานของ Moise แสดงให้เห็นว่าเหตุใดการตรวจพบภาวะ AF ในระยะเริ่มต้นและการรักษาเพื่อรักษาสุขภาพหัวใจจึงมีความสำคัญมาก

“การศึกษาของเรามุ่งเน้นไปที่ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะที่พบบ่อยที่สุด หรือภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้ว ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของโรคหลอดเลือดสมองและอัตราการเจ็บป่วยและเสียชีวิตสูง ผ่านการจำลองการทำงานของไฟฟ้าหัวใจด้วยคอมพิวเตอร์” มอยส์กล่าว “งานวิจัยนี้ทำให้เราสามารถติดตามการเริ่มต้นและความก้าวหน้าของโรคนี้ได้เป็นครั้งแรก ซึ่งจะนำไปสู่การพัฒนายาที่ดีขึ้นเพื่อป้องกันหรือหยุดยั้งความก้าวหน้าของโรคในที่สุด”

งานวิจัยของ Moise มีศักยภาพที่จะพัฒนาการรักษาภาวะ AF อย่างมีนัยสำคัญ ด้วยการมอบมุมมองใหม่เกี่ยวกับกลไกที่นำไปสู่ความก้าวหน้าของโรคให้กับแพทย์และนักวิทยาศาสตร์ แนวทางนี้อาจสร้างแรงบันดาลใจให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในสาขาที่เกี่ยวข้องทั้งด้านโรคหัวใจและสาขาอื่นๆ

“เราเชื่อว่างานวิจัยของเราเปิดมิติใหม่ทางเวลาในการจำลองทางสรีรวิทยาไฟฟ้าหัวใจ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการจำลองแบบวันเดียว (และนานกว่านั้น) มีความเป็นไปได้ในทางเทคนิค” มอยส์กล่าว “วิธีการนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับโรคได้หลากหลายชนิด เช่น ความผิดปกติของไซนัสโหนด หรือภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะที่เกิดจากกล้ามเนื้อหัวใจตาย นอกจากนี้ งานวิจัยนี้ยังส่งเสริมการวิจัยเกี่ยวกับภาวะหัวใจห้องบนสั่นพลิ้วโดยตรง โดยเปิดโอกาสให้สามารถจำลองความก้าวหน้าในระยะยาวที่เกิดจากกิจกรรมไฟฟ้าหัวใจเต้นผิดจังหวะได้เป็นครั้งแรก และยังเปิดโอกาสให้มีการทดสอบวิธีการรักษาที่มุ่งเป้าไปที่กลไกควบคุมภายในเซลล์ สุดท้ายนี้ เราหวังว่างานวิจัยของเราจะเป็นแรงบันดาลใจให้นักวิจัยคนอื่นๆ รับมือกับความท้าทายทางชีววิทยาที่กินเวลานานกว่านี้”

ในการศึกษาในอนาคต Moise วางแผนที่จะปรับปรุงการจำลองของเขาให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น เพื่อรวมวิธีการรักษาที่เป็นไปได้ และตรวจสอบความถูกต้องของผลการวิจัยของเขาด้วยการทดลองเพิ่มเติม ผลงานที่เกี่ยวข้องก่อนหน้านี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Biophysical Journal