支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於發現和塑造我們當今世界的思想的具有影響力的故事。
用於長期管理心律失常的藥物，這種疾病發生在心臟電脈衝變得不規則並使患者面臨猝死風險時，幾十年來一直困擾著研究人員。儘管盡了最大努力，但大多數旨在平復異常快速心跳的藥物，即一種被稱為快速性心律失常的心律失常，都失敗了。多項臨床試驗，包括1986年具有開創性的心臟心律失常抑制試驗(CAST)，甚至表明，使用某些旨在糾正快速性心律失常的藥物——尤其是恩卡尼和氟卡尼——實際上增加了死亡風險。
在美國，心律失常每年導致近25萬人死亡。當一個額外的心跳在人的正常心臟節律中產生時，就會觸發快速性心律失常。像氟卡尼這樣的藥物原本有望抑制導致每分鐘更多心跳的觸發因素，但實際上卻創造了條件使快速性心律失常惡化。治療這種情況的藥物的問題在於它們的不可預測性——例如，藥物利多卡因已被證明在某些條件下對治療某些型別的快速性心律失常有益。
加州大學戴維斯分校藥理學系副教授Colleen Clancy說：“一直沒有辦法篩選出哪些藥物在給定的臨床環境中最為有用。” [閱讀更多關於心臟計算機建模的內容：“使用計算機來模擬心臟……何必呢？”]
考慮到這一點，Clancy 一直與來自哥倫比亞大學、康奈爾大學和約翰·霍普金斯大學的研究團隊合作，開發人類心臟的計算機模型，該模型可以幫助預測至少一些用於治療某些快速性心律失常的藥物的副作用。根據 Clancy 及其同事在8月31日出版的科學轉化醫學雜誌上發表的研究，他們的目標是建立一個“虛擬藥物篩選系統，該系統模擬藥物-通道相互作用並預測藥物對心臟中突發電活動的影響”。
心肌細胞透過細胞膜上開放和關閉的離子通道產生電訊號。這些訊號從一個細胞傳播到另一個細胞，並在整個心臟中表現為電波，告知心肌以規則的間隔收縮並將血液泵送到大腦和重要器官。為了預測抗心律失常藥物將如何改變心臟節律，研究人員必須首先確定藥物將如何與這些離子通道相互作用。
最初，人們認為抗心律失常藥物透過堵塞離子通道來降低電活動。隨著 CAST 和其他研究對這些假設提出質疑，Clancy 及其同事開發了表示離子通道開放和關閉的數學方程式。他們將這些方程式與其他數學演算法相結合，建立了一個人類心臟的計算機模型。研究人員使用來自氟卡尼和利多卡因藥物作用的實驗測量資料，然後將這些抗心律失常藥物的虛擬表示引入心臟模型。
模擬軟體在多個高效能計算機叢集上執行，這些叢集由多臺伺服器同時工作以提高處理能力。在一個計算機實驗中，當研究人員測試藥物對單個心肌細胞的影響時，兩種藥物都成功減慢了心跳。然而，在另一個基於計算機的實驗中，當在整個心臟的虛擬模型上進行測試時，氟卡尼產生了嚴重的副作用，導致心律失常，而不是預防異常節律。這些結果與 CAST 的研究結果一致，該研究表明，服用氟卡尼的患者發生致命性心律失常的可能性是服用安慰劑的患者的兩到三倍。“在沒有這些資料的情況下，我們不會知道該模型是否執行正常以及我們是否做出了準確的預測，”Clancy 說。
這些結果在很多方面都具有重要意義。首先，研究人員能夠比在實驗動物身上進行研究更有效地模擬和測試藥物在各種濃度、心率和心律失常觸發因素下的影響。“我們是在模擬人類心臟的環境中測試這些藥物，”Clancy 說。“這些模型並不完美，但它們比小鼠更接近人類，而且眾所周知，藥物表現出物種依賴性效應。在我們能夠進行人體試驗之前，而且我看不出這種情況會在短期內發生，這可能是次好的選擇。”
該軟體的未來版本也可能用於篩選出有問題的藥物化合物，以及在進行昂貴的動物試驗和後來的臨床試驗之前，識別出那些具有潛力的藥物化合物。“該模型甚至可以用於識別理想的治療方法——藥物需要在特定臨床環境中發揮作用的特性，”Clancy 說。
在五年內，研究人員希望建立一個數據庫，記錄用於治療不同型別心律失常的所有原型藥物的行為，包括以異常緩慢的心率表徵的心動過緩。由此產生的新模型也可能用於揭示驅動抗心律失常藥物常見副作用的機制。