Over het algemeen slaat het hart van de mens ongeveer 60 tot 80 keer per minuut, maar bij ongeveer een miljoen mensen in Duitsland – wereldwijd meer dan 33 miljoen – kan de hartslag plotseling oplopen tot 150 keer per minuut. Deze mensen lijden aan boezemfibrilleren, in Duitsland de meest voorkomende vorm van hartritmestoornissen die behandeld moeten worden. Hoewel boezemfibrilleren op zich over het algemeen niet levensbedreigend is, kunnen de gevolgen ervan, zoals hartfalen, hartaanvallen, bloedstolsels en beroerten, tot ernstige gevolgen of zelfs de dood leiden.
Een typische behandeling voor fibrillatie is katheter-ondersteunde sclerotherapie van de elektrofysiologische excitatiecentra in het hartspierweefsel, bekend als een ablatie. Toch komt het vaak voor dat patiënten na de behandeling een atypische boezemflutter ontwikkelen. In tegenstelling tot boezemfibrilleren verloopt bij boezemflutter de elektrofysiologische excitatie van het hart gecoördineerd. In dit proces zorgen ongewoon snelle elektrische excitatiepatronen ervoor dat de hartboezems snel krimpen. De effecten zijn echter hetzelfde als bij boezemfibrilleren: Tachycardie (een snelle hartslag), kortademigheid en algehele zwakheid. Het risico op een beroerte is ook groter.
Realistische computermodellen van het hart
Tot nu toe is er nog geen betrouwbare manier om te onderzoeken hoe hoog het risico voor patiënten is als het gaat om het ontwikkelen van atypische boezemflutter. Dankzij digitale simulaties van menselijke organen is het nu echter mogelijk om de ontwikkeling van ziekten te onderzoeken en therapieën op maat te ontwikkelen voor patiënten. Onderzoekers van het Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT), de Medische Kliniek IV van het Gemeenteziekenhuis Karlsruhe, de Medische Faculteit van de Universiteit van Freiburg en het Universitair Hartcentrum Freiburg-Bad Krozingen hebben een methode ontwikkeld die het risico van boezemflutter op individuele basis kan beoordelen.
Ze ontwikkelen realistische computermodellen van het hart op verschillende niveaus: van het hart-ionkanaal, tot de cellen en weefsels en het hele orgaan. Ze simuleren fysiologische en pathologische basisprocessen en ontwikkelen gepersonaliseerde modellen om het risico van hartritmestoornissen, zoals boezemflutter, en het effect van individuele therapieën in te schatten. In het tijdschrift Frontiers in Physiology melden de wetenschappers dat gepersonaliseerde computermodellen “alle paden kunnen identificeren waarlangs atypische, circulaire elektrische excitatie kan optreden”.
“Tot onze modellen behoren anatomische, elektrofysiologische en farmacologische criteria”, legt dr. Axel Loewe, hoofd van de werkgroep hartmodellering van het Instituut voor Biomedische Ingenieurswetenschappen van het KIT, uit. Ook het effect van therapieën zoals katheterablatie of medicijnen kan vooraf individueel worden beoordeeld. “Computermodellen bieden een perfect controleerbare omgeving voor experimenten. Op deze manier kunnen individuele variabelen worden gesimuleerd en de gevolgen ervan voor het totale systeem worden berekend”. Volgens de onderzoekers zouden de modellen een aanvulling vormen op klassieke methoden zoals cel- en dierproeven en het mogelijk maken om nieuwe therapieën te testen zonder risico voor de mens.
Interdisciplinaire samenwerking
In zijn proefschrift heeft Loewe de oorzaken van boezemfibrilleren al met een computer gesimuleerd. Hij staat nu aan het hoofd van de KIT-werkgroep voor hartmodellering, die nieuwe computermodellen van het hart ontwikkelt. Met behulp van deze modellen kunnen wetenschappers simuleren hoe elektrofysiologische excitatie zich ontwikkelt en zich verspreidt door de boezems en het hele hart. In een gezond kloppend hart houdt deze spanning op, maar houdt deze bij bepaalde soorten hartritmestoornissen aan.
Daarnaast werken wetenschappers met gepersonaliseerde modellen om op individuele basis het risico van ziekte en het effect van de behandeling te kunnen bepalen. Met behulp van beeldvormingstechnieken zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI) leggen ze de individuele anatomie van een patiënt vast, zoals de grootte en de vorm van de hartboezems. Een elektrocardiogram (ECG) registreert de elektrische activiteit van het hart. De wetenschappers werken nauw samen met de werkgroep Bio-elektrische Signalen van het KIT-instituut voor Biomedische Ingenieurswetenschappen onder leiding van professor Olaf Dössel. “Het werk, dat betrekking heeft op ingenieurswetenschappen, informatica, natuurwetenschappen en geneeskunde, maakt de weg vrij voor therapieën op maat,” leggen de onderzoekers uit.
Coverfoto: Anatomisch model van de linkerboezem van een 70-jarige vrouwelijke patiënt. (Afbeelding: Axel Loewe, KIT)
