슈퍼컴퓨터 시뮬레이션으로 심방세동 진행 원인 밝혀

심방세동(AF)은 불규칙한 심장 박동의 가장 흔한 유형이며, 시간이 지남에 따라 악화되어 영구적일 수 있습니다. NIH에 따르면, 이는 허혈성 뇌졸중의 주요 예방 가능한 원인인 심각한 질환입니다.

오하이오 주립대학교(OSU) 생체의공학과의 박사후 연구원인 니콜라에 모이즈는 NCSA와 OSC의 컴퓨팅 자원을 활용하여 심방세동의 장기적인 진행 과정을 연구하고 있으며, 그의 연구가 심방세동이 평생 질환으로 이어지기 전에 이를 막을 수 있는 치료법 개발에 도움이 되기를 기대하고 있습니다. 그의 연구는 최근 JACC : Clinical Electrophysiology 에 게재되었습니다.

심방세동은 심장의 윗부분인 심방이 아랫부분과 박동이 맞지 않게 뛰는 불규칙한 심박동의 한 유형입니다. 일시적인 현상으로 시작했지만 결국 영구적인 현상이 됩니다. 필요한 세부 사항을 포함한 인체 실험을 수행하는 것은 어렵기 때문에 모이즈는 컴퓨터로 과정을 모델링합니다.

"저희는 심장 전기생리학 모델을 사용하여 단기 심장 활동(밀리초에서 초)이 심장 조직의 장기적 변화(며칠에서 몇 주, 몇 달)를 어떻게 유발하는지 조사합니다."라고 모이즈는 말했습니다. "제가 아는 한, 저희 시뮬레이션은 지금까지 가장 긴 시간 동안 진행되며, 최대 24시간 동안 연속적인 2차원 전기 활동을 모델링합니다."

시뮬레이션을 통해 연구자들은 장기간에 걸쳐 심장의 모든 기능을 모니터링할 수 있습니다. 심장은 비교적 단순해 보일 수 있지만, 이 정도 수준의 세부적인 시뮬레이션을 실행하려면 많은 계산이 필요합니다.

모이세는 "모든 2D 시뮬레이션은 NCSA GPU와 DSP에서 CUDA 코드를 사용하여 실행되었는데, 이는 이처럼 장기간을 연구하는 데 매우 중요했습니다."라고 말했습니다.

"NCSA 리소스에는 Delta를 통해 제공되는 NVIDIA GPU가 포함되었습니다. NVIDIA GPU에서 CUDA 코드를 실행함으로써 시뮬레이션 속도를 약 250배 향상시킬 수 있었습니다. 이 연구에서 가장 긴 시뮬레이션은 약 일주일 정도 소요되었기 때문에 일반적인 PC나 노트북에서는 몇 년이 걸렸을 것입니다."

모이즈의 연구팀은 심방세동에서 심장의 흥미로운 특징을 발견했습니다. 심박수가 증가함에 따라 심장 세포들은 칼슘 균형을 유지하기 위해 적응합니다. 이 놀라운 세포 능력에는 심각한 단점이 있습니다. 바로 이러한 적응이 심장을 더 심하게 부정맥에 걸리게 만든다는 것입니다. 악순환이 반복됩니다. 상태가 지속될수록 더 많은 세포들이 칼슘 균형을 맞추기 위해 적응하여 부정맥 발생 가능성을 더욱 높이고, 결국 지속적인 불규칙한 심박수로 이어집니다.

모이세의 연구는 심장 건강을 유지하기 위해 AF를 조기에 발견하고 치료하는 것이 왜 중요한지 보여줍니다.

모이즈 박사는 "이 연구는 심장 전기 활동의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가장 흔한 심장 부정맥인 심방세동에 초점을 맞춥니다. 심방세동은 뇌졸중의 주요 원인이자 높은 이환율과 사망률을 초래합니다."라고 말했습니다. "이 연구를 통해 이 질환의 발병 및 장기적인 진행 과정을 처음으로 추적할 수 있게 되었으며, 궁극적으로는 질환의 진행을 예방하거나 중단시키는 더 나은 약물 개발로 이어질 것입니다."

모이즈의 연구는 의사와 과학자들에게 심방세동(AF)의 진행 기전에 대한 새로운 관점을 제공함으로써 심방세동 치료를 크게 개선할 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 접근 방식은 심장학 및 기타 관련 분야의 과학자들에게 영감을 줄 수 있습니다.

"이번 연구는 심장 전기생리학 시뮬레이션에 새로운 시간적 차원을 열어, 단 하루(그리고 그보다 더 긴 기간) 시뮬레이션이 기술적으로 가능함을 보여줍니다."라고 모이즈는 말했다. "이 접근법은 동방결절 기능 장애나 심근경색으로 인한 부정맥과 같은 다양한 질병에 적용될 수 있습니다. 또한, 이 연구는 부정맥성 전기 활동으로 인한 심방세동의 장기적인 진행을 최초로 모델링할 수 있게 함으로써 심방세동 연구를 직접적으로 발전시키고, 세포 내 조절 기전을 표적으로 하는 치료법 시험 가능성을 열어줍니다. 마지막으로, 더 나아가, 이 연구가 다른 연구자들이 더 긴 시간 규모에 걸친 생물학적 과제를 해결하는 데 영감을 줄 수 있기를 바랍니다."

향후 연구에서 모이스는 잠재적 치료법을 포함하도록 시뮬레이션을 개선하고 추가 실험을 통해 연구 결과를 더욱 검증할 계획입니다. 관련 연구는 Biophysical Journal에 게재되었습니다.