Simulasi superkomputer mengungkap penyebab perkembangan fibrilasi atrium

Fibrilasi atrium (AF) adalah jenis irama jantung tidak teratur yang paling umum, dan seiring waktu dapat memburuk dan menjadi permanen — gangguan serius yang merupakan penyebab utama stroke iskemik yang dapat dicegah, menurut NIH.

Nicolae Moise, seorang peneliti pascadoktoral di Departemen Teknik Biomedis di The Ohio State University (OSU), menggunakan sumber daya komputasi NCSA dan OSC untuk mempelajari perkembangan jangka panjang AF dengan harapan karyanya akan membantu mengembangkan pengobatan yang dapat menghentikan AF sebelum menjadi kondisi seumur hidup. Penelitiannya baru-baru ini dipublikasikan di JACC : Clinical Electrophysiology.

AF adalah jenis irama jantung tidak teratur di mana ruang atas jantung, atrium, berdetak tidak sinkron dengan ruang bawah. Fenomena yang awalnya bersifat episodik ini akhirnya menjadi permanen. Melakukan eksperimen pada manusia dengan detail yang diperlukan sulit dilakukan, sehingga Moise memodelkan prosesnya di komputer.

"Kami menggunakan model elektrofisiologi jantung untuk menyelidiki bagaimana aktivitas jantung jangka pendek (milidetik hingga detik) mendorong perubahan jangka panjang pada jaringan jantung (hari, minggu, hingga bulan)," ujar Moise. "Simulasi kami, sepengetahuan saya, merupakan yang terlama hingga saat ini: kami memodelkan aktivitas listrik 2D berkelanjutan hingga 24 jam."

Simulasi memungkinkan para peneliti memantau semua aspek kerja jantung dalam jangka waktu yang panjang. Meskipun jantung mungkin tampak relatif sederhana, menjalankan simulasi pada tingkat detail ini membutuhkan banyak komputasi.

“Semua simulasi 2D dijalankan menggunakan kode CUDA pada GPU dan DSP NCSA, yang sangat penting untuk mempelajari skala waktu yang begitu panjang,” kata Moise.

Sumber daya NCSA yang kami gunakan mencakup GPU NVIDIA yang tersedia melalui Delta. Dengan menjalankan kode CUDA pada GPU NVIDIA, kami dapat mempercepat simulasi kami sekitar 250 kali lipat. Karena simulasi terpanjang kami dalam studi ini berlangsung sekitar seminggu, simulasi tersebut akan memakan waktu bertahun-tahun pada PC atau laptop biasa.

Tim Moise menemukan fitur menarik pada jantung pada AF. Seiring meningkatnya detak jantung seseorang, sel-sel di jantung beradaptasi untuk menjaga keseimbangan kalsium. Kemampuan luar biasa sel-sel ini memiliki kelemahan serius: Adaptasi yang sama membuat jantung rentan terhadap aritmia lebih lanjut. Sebuah lingkaran setan pun terjadi: Semakin banyak sel yang beradaptasi untuk menyeimbangkan kalsium seiring kondisi berlanjut, semakin meningkatkan kerentanan terhadap aritmia dan akhirnya menyebabkan detak jantung tidak teratur yang terus-menerus.

Karya Moise menunjukkan mengapa sangat penting untuk mendeteksi AF sejak dini dan mengobatinya untuk menjaga kesehatan jantung.

"Studi kami berfokus pada aritmia jantung yang paling umum, fibrilasi atrium, penyebab utama stroke serta tingginya morbiditas dan mortalitas, melalui simulasi komputer aktivitas listrik jantung," ujar Moise. "Penelitian ini memungkinkan kami untuk pertama kalinya melacak inisiasi dan perkembangan jangka panjang penyakit ini, yang pada akhirnya akan mengarah pada pengembangan obat yang lebih baik untuk mencegah atau menghentikan perkembangannya."

Penelitian Moise berpotensi meningkatkan penanganan AF secara signifikan dengan memberikan perspektif baru kepada para dokter dan ilmuwan tentang mekanisme yang memicu perkembangannya. Pendekatan ini dapat menginspirasi para ilmuwan yang bekerja di bidang kardiologi terkait dan di bidang lainnya.

"Kami yakin bahwa penelitian kami membuka dimensi temporal baru dalam simulasi elektrofisiologi jantung, menunjukkan bahwa simulasi satu hari (dan bahkan lebih lama) secara teknis layak," ujar Moise. "Pendekatan ini dapat diterapkan pada berbagai penyakit, seperti disfungsi nodus sinus atau aritmia yang disebabkan oleh infark miokard. Selain itu, penelitian ini secara langsung memajukan penelitian tentang fibrilasi atrium dengan memungkinkan untuk pertama kalinya memodelkan perkembangan jangka panjangnya yang disebabkan oleh aktivitas listrik aritmia, serta membuka kemungkinan pengujian terapi yang menargetkan mekanisme regulasi intraseluler. Terakhir, secara lebih luas, kami berharap penelitian kami akan menginspirasi peneliti lain untuk mengatasi tantangan biologis yang mencakup skala waktu yang lebih panjang."

Dalam studi mendatang, Moise berencana menyempurnakan simulasinya untuk menggabungkan berbagai perawatan potensial dan memvalidasi temuannya lebih lanjut melalui eksperimen tambahan. Karya terkait sebelumnya telah dipublikasikan di Biophysical Journal.