スーパーコンピュータシミュレーションにより心房細動の進行原因が明らかに

心房細動（AF）は最も一般的な不整脈であり、時間の経過とともに悪化して永続的になる可能性があり、NIHによると、虚血性脳卒中の主な予防可能な原因である深刻な障害です。

オハイオ州立大学（OSU）生物医学工学部のポスドク研究員であるニコラエ・モイゼ氏は、NCSAとOSCのコンピューティングリソースを活用して、AFの長期的な進行を研究しています。この研究が、AFが生涯にわたる病状となる前に進行を止める治療法の開発につながることを期待しています。この研究は最近、JACC : Clinical Electrophysiology誌に掲載されました。

心房細動は不整脈の一種で、心臓の上部にある心房と下部にある心室の拍動が同期していない状態です。最初は一時的な現象でしたが、やがて恒常的なものになります。必要な詳細を人体実験で再現するのは困難であるため、モイーズ氏はコンピューター上で心房細動のプロセスをモデル化しました。

「私たちは心臓電気生理学モデルを用いて、短期的な心臓活動（数ミリ秒から数秒）が心臓組織の長期的な変化（数日、数週間、数ヶ月）にどのように影響するかを調べています」とモイーズ氏は述べた。「私たちのシミュレーションは、私の知る限り、これまでで最も長いもので、最大24時間にわたる連続的な2D電気活動をモデル化しています。」

シミュレーションにより、研究者は心臓の働きをあらゆる側面から長期間にわたって観察することができます。心臓は比較的単純な構造に見えますが、このレベルの詳細なシミュレーションを実行するには、膨大な計算量が必要になります。

「すべての 2D シミュレーションは、NCSA GPU と DSP 上の CUDA コードを使用して実行されました。これは、このような長い時間スケールを研究する上で非常に重要でした」と Moise 氏は述べています。

NCSAのリソースには、Deltaを通じて利用可能なNVIDIA GPUが含まれていました。NVIDIA GPUでCUDAコードを実行することで、シミュレーションを約250倍高速化できました。本研究で最も長いシミュレーションは約1週間かかったため、一般的なPCやノートパソコンでは何年もかかっていたでしょう。

モイーズ教授の研究チームは、心房細動（AF）における心臓の興味深い特徴を発見しました。心拍数が増加すると、心臓の細胞はカルシウムバランスを維持するために適応します。この驚くべき細胞の能力には、深刻な欠点が伴います。同じ適応が、心臓をさらに不整脈に陥りやすくしてしまうのです。悪循環が生まれます。病状が続くと、より多くの細胞がカルシウムバランスを維持するために適応し、不整脈に対する感受性がさらに高まり、最終的には持続的な不整脈につながります。

モイーズ博士の研究は、心臓の健康を維持するために AF を早期に発見し治療することがなぜそれほど重要なのかを示しています。

「私たちの研究は、最も一般的な不整脈である心房細動に焦点を当てています。心房細動は脳卒中の主要原因であり、高い罹患率と死亡率を伴います。心臓の電気活動のコンピューターシミュレーションを用いて、この研究を進めています」とモイーズ氏は述べた。「この研究により、初めてこの疾患の発症と長期的な進行を追跡することが可能になり、最終的には、この疾患の進行を予防または阻止するためのより優れた薬剤の開発につながるでしょう。」

モイーズ氏の研究は、心房細動（AF）の進行メカニズムに関する新たな視点を医師や科学者に提供することで、AFの治療を大幅に改善する可能性を秘めています。このアプローチは、心臓病学をはじめとする関連分野の科学者に刺激を与える可能性があります。

「私たちの研究は、心臓電気生理学シミュレーションにおける新たな時間的次元を開拓し、1日（あるいはそれ以上）のシミュレーションが技術的に可能であることを示したと考えています」とモイーズ氏は述べています。「このアプローチは、洞結節機能不全や心筋梗塞に起因する不整脈など、様々な疾患に適用できる可能性があります。さらに、この研究は、不整脈の電気活動によって引き起こされる心房細動の長期的な進行を初めてモデル化することを可能にし、心房細動の研究を直接的に前進させるとともに、細胞内調節機構を標的とした治療法の試験の可能性を切り開きます。そして、より広い視点から、私たちの研究が他の研究者に刺激を与え、より長い時間スケールにわたる生物学的課題に取り組むきっかけとなることを願っています。」

今後の研究では、モイーズ氏はシミュレーションを改良し、潜在的な治療法を組み込むとともに、追加実験によって発見をさらに検証する予定です。以前の関連研究はBiophysical Journalに掲載されています。