Une simulation par superordinateur révèle les causes de la progression de la fibrillation auriculaire

La fibrillation auriculaire (FA) est le type le plus courant de rythme cardiaque irrégulier et, avec le temps, elle peut s’aggraver et devenir permanente – un trouble grave qui est la principale cause évitable d’accident vasculaire cérébral ischémique, selon le NIH.

Nicolae Moise, chercheur postdoctoral au Département de génie biomédical de l'Université d'État de l'Ohio (OSU), utilise les ressources informatiques du NCSA et de l'OSC pour étudier la progression à long terme de la FA, dans l'espoir que ses travaux contribueront au développement de traitements permettant de stopper la FA avant qu'elle ne devienne une affection chronique. Ses recherches ont récemment été publiées dans la revue JACC: Clinical Electrophysiology.

La FA est un type d'arythmie cardiaque dans lequel les cavités supérieures du cœur, les oreillettes, battent de manière décalée par rapport aux cavités inférieures. Ce phénomène épisodique au départ devient permanent. Réaliser des expériences humaines aussi détaillées est difficile, c'est pourquoi Moise modélise les processus sur ordinateur.

« Nous utilisons des modèles d'électrophysiologie cardiaque pour étudier comment l'activité cardiaque à court terme (quelques millisecondes à quelques secondes) influence les changements à long terme du tissu cardiaque (quelques jours, quelques semaines, voire quelques mois) », a déclaré Moise. « Nos simulations sont, à ma connaissance, les plus longues à ce jour: nous modélisons jusqu'à 24 heures d'activité électrique 2D continue. »

Les simulations permettent aux chercheurs de surveiller tous les aspects du fonctionnement du cœur sur de longues périodes. Bien que le cœur puisse paraître relativement simple, réaliser une simulation à ce niveau de détail nécessite de nombreux calculs.

« Toutes les simulations 2D ont été exécutées à l'aide du code CUDA sur les GPU et DSP NCSA, ce qui était essentiel pour étudier des échelles de temps aussi longues », a déclaré Moise.

Les ressources NCSA que nous avons utilisées comprenaient des GPU NVIDIA disponibles via Delta. En exécutant du code CUDA sur des GPU NVIDIA, nous avons pu accélérer nos simulations d'environ 250 fois. Comme nos simulations les plus longues dans cette étude ont duré environ une semaine, elles auraient pris des années sur un PC ou un ordinateur portable classique.

L'équipe de Moise a découvert une caractéristique intéressante du cœur dans la FA. À mesure que la fréquence cardiaque augmente, les cellules cardiaques s'adaptent pour maintenir l'équilibre calcique. Cette étonnante capacité cellulaire présente un inconvénient majeur: ces mêmes adaptations rendent le cœur sujet à de nouvelles arythmies. Un cercle vicieux s'installe alors: davantage de cellules s'adaptent pour équilibrer le calcium à mesure que la maladie persiste, ce qui accroît encore la vulnérabilité aux arythmies et conduit finalement à un rythme cardiaque irrégulier persistant.

Les travaux de Moise montrent pourquoi il est si important de détecter la FA tôt et de la traiter pour maintenir la santé cardiaque.

« Notre étude se concentre sur l'arythmie cardiaque la plus fréquente, la fibrillation auriculaire, cause majeure d'accident vasculaire cérébral (AVC) et de morbidité et mortalité élevées, grâce à des simulations informatiques de l'activité électrique cardiaque », a déclaré Moise. « Ces travaux nous permettent de suivre pour la première fois l'apparition et la progression à long terme de cette maladie, ce qui permettra à terme de développer de meilleurs médicaments pour prévenir ou stopper sa progression. »

Les recherches de Moise pourraient améliorer considérablement le traitement de la FA en offrant aux médecins et aux scientifiques une nouvelle perspective sur les mécanismes qui conduisent à sa progression. Cette approche pourrait inspirer les scientifiques travaillant dans des domaines connexes de la cardiologie et au-delà.

« Nous pensons que nos travaux ouvrent une nouvelle dimension temporelle aux simulations d'électrophysiologie cardiaque, démontrant que des simulations d'une journée (et même plus) sont techniquement réalisables », a déclaré Moise. « Cette approche pourrait être appliquée à diverses maladies, telles que le dysfonctionnement du nœud sinusal ou les arythmies causées par l'infarctus du myocarde. De plus, ces travaux font progresser directement la recherche sur la fibrillation auriculaire en permettant pour la première fois de modéliser sa progression à long terme causée par l'activité électrique arythmique, et en ouvrant la voie à l'expérimentation de thérapies ciblant le mécanisme de régulation intracellulaire. Enfin, plus largement, nous espérons que nos travaux inspireront d'autres chercheurs à relever des défis biologiques sur des échelles de temps plus longues. »

Dans le cadre de ses études futures, Moise prévoit d'affiner sa simulation afin d'intégrer des traitements potentiels et de valider ses résultats par des expériences supplémentaires. Des travaux antérieurs sur ce sujet ont été publiés dans la revue Biophysical Journal.