Simulação de supercomputador revela causas da progressão da fibrilação atrial

A fibrilação atrial (FA) é o tipo mais comum de ritmo cardíaco irregular e, com o tempo, pode piorar e se tornar permanente — um distúrbio grave que é a principal causa evitável de acidente vascular cerebral isquêmico, de acordo com o NIH.

Nicolae Moise, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade Estadual de Ohio (OSU), está utilizando os recursos computacionais do NCSA e do OSC para estudar a progressão a longo prazo da FA, na esperança de que seu trabalho ajude a desenvolver tratamentos que possam interromper a FA antes que ela se torne uma condição permanente. Sua pesquisa foi publicada recentemente no JACC : Eletrofisiologia Clínica.

A FA é um tipo de ritmo cardíaco irregular em que as câmaras superiores do coração, os átrios, batem fora de sincronia com as câmaras inferiores. O que começa como um fenômeno episódico acaba se tornando permanente. Conduzir experimentos humanos com os detalhes necessários é difícil, então Moise modela os processos em um computador.

“Usamos modelos de eletrofisiologia cardíaca para investigar como a atividade cardíaca de curto prazo (milissegundos a segundos) influencia mudanças de longo prazo no tecido cardíaco (dias, semanas ou meses)”, disse Moise. “Nossas simulações são, até onde sei, as mais longas até o momento: modelamos até 24 horas de atividade elétrica bidimensional contínua.”

Simulações permitem que pesquisadores monitorem todos os aspectos do funcionamento do coração por longos períodos. Embora o coração possa parecer relativamente simples, executar uma simulação com esse nível de detalhe exige muita computação.

“Todas as simulações 2D foram executadas usando código CUDA em GPUs e DSP do NCSA, o que foi essencial para estudar escalas de tempo tão longas”, disse Moise.

Os recursos do NCSA que utilizamos incluíam GPUs NVIDIA disponíveis pela Delta. Ao executar código CUDA em GPUs NVIDIA, conseguimos acelerar nossas simulações em cerca de 250 vezes. Como nossas simulações mais longas neste estudo duraram cerca de uma semana, elas teriam levado anos em um PC ou laptop comum.

A equipe de Moise descobriu uma característica interessante do coração na FA. À medida que a frequência cardíaca de uma pessoa aumenta, as células cardíacas se adaptam para manter o equilíbrio de cálcio. Essa incrível capacidade das células tem uma séria desvantagem: essas mesmas adaptações tornam o coração propenso a novas arritmias. Um ciclo vicioso se instala: mais células se adaptam para equilibrar o cálcio à medida que a condição se prolonga, aumentando ainda mais a suscetibilidade a arritmias e, eventualmente, levando a um batimento cardíaco irregular persistente.

O trabalho de Moise mostra por que é tão importante detectar a FA precocemente e tratá-la para manter a saúde do coração.

“Nosso estudo se concentra na arritmia cardíaca mais comum, a fibrilação atrial, uma das principais causas de acidente vascular cerebral e alta morbidade e mortalidade, por meio de simulações computacionais da atividade elétrica do coração”, disse Moise. “Este trabalho nos permite rastrear pela primeira vez o início e a progressão a longo prazo desta doença, o que, em última análise, levará ao desenvolvimento de medicamentos mais eficazes para prevenir ou interromper sua progressão.”

A pesquisa de Moise tem o potencial de melhorar significativamente o tratamento da FA, oferecendo a médicos e cientistas uma nova perspectiva sobre os mecanismos que levam à sua progressão. Essa abordagem pode inspirar cientistas que trabalham em áreas relacionadas à cardiologia e além.

“Acreditamos que nosso trabalho abre uma nova dimensão temporal em simulações de eletrofisiologia cardíaca, mostrando que simulações de um único dia (e até mais longas) são tecnicamente viáveis”, disse Moise. “Essa abordagem pode ser aplicada a uma variedade de doenças, como disfunção do nó sinusal ou arritmias causadas por infarto do miocárdio. Além disso, este trabalho avança diretamente a pesquisa sobre fibrilação atrial, permitindo, pela primeira vez, modelar sua progressão a longo prazo causada pela atividade elétrica arrítmica, além de abrir a possibilidade de testar terapias que visam o maquinário regulador intracelular. Por fim, de forma mais ampla, esperamos que nosso trabalho inspire outros pesquisadores a enfrentar desafios biológicos que abrangem escalas de tempo mais longas.”

Em estudos futuros, Moise planeja refinar sua simulação para incorporar potenciais tratamentos e validar ainda mais suas descobertas com experimentos adicionais. Trabalhos anteriores relacionados foram publicados no Biophysical Journal.