Výpočetní model pomáhá personalizovat neurostimulační terapii fibrilace síní

Fibrilace síní (AFib) je srdeční porucha, při které srdeční komory bijí rychle a nepravidelně. Je to nejběžnější typ arytmie a hlavní srdeční příčina mrtvice.

Přestože existuje několik léčebných postupů – od léků až po chirurgické zákroky – pokračuje hledání vylepšených možností řešení AFib, které podle předpovědí Národního institutu zdraví (NIH) postihne do roku 2050 až 12 milionů lidí v USA.

Jedna nově vznikající strategie zahrnuje elektrická stimulaceznámá jako neurostimulace, o které se vědci domnívají, že by mohla potenciálně potlačit, léčit nebo dokonce zvrátit poruchu.

„Na experimentální úrovni bylo zjištěno, že neurostimulace pomáhá nejen AFib, ale selhání srdce se sníženým ejekční frakce a hypertenze,“ říká Oluwasanmi Adeodu, postdoktorandský výzkumník na katedře chemického a biomolekulárního inženýrství Lehigh University.

„Nicméně, když to bylo aplikováno ve velkých klinických studiích, výsledky byly ohromující. Část problému je dávkování. Výzkumníci neměli způsob, jak zjistit, kolik stimulace dát. Létali naslepo bez zpětné vazby v reálném čase o tom, jak tělo reaguje.“

V novinách zveřejněno v posledním čísle (29. října 2025). PLOS ONEAdeodu ​​a jeho tým představují model, který představuje lidský kardiovaskulární systém, zpracovatelská centra v mozku, která řídí srdce, a informační dráhu spojující srdce s mozkem.

Model byl navržen tak, aby předpovídal hemodynamickou odpověď pacientů po nástupu AFib a v konečném důsledku může pomoci odpovědět na otázky, kde a na jakých úrovních by měla být aplikována neurostimulace, čímž se přístup blíží tomu, aby se stal přijímanou formou personalizované léčby AFib.

„Bylo to translační cvičení,“ říká Adeodu, který byl vedoucím výzkumným pracovníkem článku, mezi jehož spoluautory patří Mayuresh Kothare, profesor chemického a biomolekulárního inženýrství RL McCann a proděkan pro výzkum na Lehigh’s PC Rossin College of Engineering and Applied Science.

„Jako inženýři jsme vzali to, co lékaři vědí o AFib – a všech fyziologických změnách, které se u pacientů vyskytují – a převedli tato fakta do matematiky. Naším cílem bylo odpovědět na otázku: Může náš model odpovídat známým účinkům AFib na snadno měřitelné hemodynamické veličiny, jako je např. krevní tlak a srdeční frekvence? Pokud by odpověď byla ano, mohli bychom ji použít k prozkoumání nových spojení.“

Odpověď byla ano. Tým ověřil svůj model na základě klinických dat a zjistil, že jeho předpovědi srdeční frekvence, objemu mrtvice a krevního tlaku odpovídají tomu, co lékaři vidí u skutečných pacientů. Jeden obzvláště zajímavý výsledek: Model označil část atrioventrikulárního uzlu – strukturu v srdci – jako silného kandidáta na stimulaci. Stejná oblast je již cílem pro ablační terapii, což naznačuje, že model je na správné cestě.

Nyní, říká Adeodu, je připravena scéna pro další studium. Výzkumníci mohou použít model Lehighova týmu jako nástroj k prozkoumání toho, kde – a jak moc – může neurostimulace změnit zvýšené a nepravidelné srdeční frekvencenebo zlepšit sníženou baroreflexní citlivost spojenou s AFib. Mohou využít prediktivní sílu modelu k testování účinků stimulace různých částí kardiovaskulárního systému, aniž by se spoléhali na zvířecí nebo lidské subjekty.

Jakmile optimalizují svůj přístup pomocí modelu, mohou tyto strategie testovat na pacientech. Když lékaři tento model používají, jejich zpětná vazba jej pomůže dále zdokonalit.

Kothare (korespondent) vidí tento článek jako úspěšný výsledek společného úsilí spoluautorů Dr. Raj Vadigepalli, dříve z Thomas Jefferson University, nyní na University of New Mexico; Michelle Gee, postgraduální studentka chemického inženýrství na University of Delaware; a Dr. Babak Mahmoudi z Emory University.

Projekt se zaměřil na vývoj softwaru a modelovacích nástrojů pro optimalizaci dodávání neurostimulačních signálů do periferních nervů k léčbě stavů, jako jsou srdeční arytmie, hypertenze a poruchy žaludku a močového měchýře. Kothare a Mahmoudi spolu vedli projekt, který skončil v letech 2023–2024.

„Hlavní výhodou tohoto modelu je, že je výpočetně zpracovatelný, na rozdíl od složitějších trojrozměrných modelů srdce, které vyžadují k vyřešení výsledných rovnic vysoce výkonnou výpočetní infrastrukturu,“ říká Kothare.

„Tyto nízké výpočetní náklady jej činí zvláště atraktivním pro rychlé testování a dokonce i použití v reálném čase, což umožňuje obousměrný tok dat a informací mezi pacientem a virtuální reprezentací srdečního systému pacienta ve skutečném rámci ‚digitálního dvojčete‘.“

V konečném důsledku, říká Adeodu, je dlouhodobým cílem automatizované nositelné zařízení, které nepřetržitě monitoruje fyziologickou zpětnou vazbu a poskytuje vhodnou stimulaci proti AFib. Převedení vážného stavu do matematiky a řádků kódu prozatím přiblížilo lékařům skutečně personalizovanou péči o srdce.

„Jakmile máte dobrý model, otevře se vám zcela nový svět vhledů a spojení,“ říká Adeodu. „Je to klasický důkaz toho, že když se sejdou lidé z různých oborů, mohou se stát úžasné věci.“