[논문 리뷰] Understanding the transition from paroxysmal to persistent atrial fibrillation from micro-anatomical re-entry in a simple model

Alberto Ciacci, Max Falkenberg외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 05.

Atrial Fibrillation Management and Outcomes참고 문헌 68인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 최소한의 침투 기반 모델(CMP)을 사용하여 지속성房세동이 더 높은 활성화 확률과 낮은 탈활성화 확률을 가진 비대칭 재진입 순환으로 인해 발생함을 보여주며, 이는 동일한 모델 매개변수로도 몇 초에서 수 개월에 이르는 심방세동 발작이 발생할 수 있음을 설명한다. 연구 결과는 단순한 미세해부학적 재진입 메커니즘으로부터 복잡하고 다양한 심방세동 역학이 유도됨을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhytmia, characterised by the chaotic motion of electrical wavefronts in the atria. In clinical practice, AF is classified under two primary categories: paroxysmal AF, short intermittent episodes separated by periods of normal electrical activity, and persistent AF, longer uninterrupted episodes of chaotic electrical activity. However, the precise reasons why AF in a given patient is paroxysmal or persistent is poorly understood. Recently, we have introduced the percolation based Christensen-Manani-Peters (CMP) model of AF which naturally exhibits both paroxysmal and persistent AF, but precisely how these differences emerge in the model is unclear. In this paper, we dissect the CMP model to identify the cause of these different AF classifications. Starting from a mean-field model where we describe AF as a simple birth-death process, we add layers of complexity to the model and show that persistent AF arises from re-entrant circuits which exhibit an asymmetry in their probability of activation relative to deactivation. As a result, different simulations generated at identical model parameters can exhibit fibrillatory episodes spanning several orders of magnitude from a few seconds to months. These findings demonstrate that diverse, complex fibrillatory dynamics can emerge from very simple dynamics in models of AF.

연구 동기 및 목표

• 임상에서 동일한 기초 메커니즘을 가진다 해도 심방세동이 일시성 또는 지속성으로 나타나는 이유를 이해하기 위해.
• 동일한 모델 매개변수로도 매우 다른 심방세동 발작 지속 시간이 발생할 수 있는 이유를 조사하기 위해.
• 단순화된 계산 프레임워크 내에서 지속성 심방세동의 미세해부학적 및 역학적 기원을 규명하기 위해.
• 재진입 순환의 비대칭 활성화/탈활성화 확률이 심방세동 지속성에 미치는 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 심방세동을 확률적 과정으로 표현하기 위해 평균장 생애-죽음 과정 모델을 개발함.
• 심장 조직 내 미세해부학적 재진입을 시뮬레이션하기 위해 침투 기반 모델(크리스텐센-마나니-피터스, CMP)을 도입함.
• 지속적인 역학을 모델링하기 위해 재진입 순환의 활성화 및 탈활성화 확률에 비대칭성을 통합함.
• 동일한 매개변수 하에서 발작 지속 시간 분포를 분석하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행함.
• 발작 지속 시간 기반으로 임상 심방세동 분류(일시성 대비 지속성)에 따라 모델 출력을 비교함.
• 장기적인 재진입 순환을 가능하게 하는 조건을 규명하기 위해 핵심 구조 및 네트워크 구조를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 모델에서 일시성에서 지속성 심방세동으로의 전이를 이끄는 역학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 왜 동일한 모델 매개변수로도 심방세동 발작이 몇 초에서 수 개월에 이르는 지속 시간을 보이는가?
• RQ3 재진입 순환의 활성화 확률과 탈활성화 확률 간 비대칭성이 심방세동 지속성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 미세해부학적 구조는 안정적이고 장수하는 재진입 순환을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 명시적인 국소적 드라이버 없이도 단순한 모델이 임상 심방세동 역학의 전반적인 스펙트럼을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 지속성 심방세동은 탈활성화보다 활성화 확률이 더 높은 재진입 순환에서 기인하며, 이는 지속적인 활동 경향을 만들어냄.
• 동일한 모델 매개변수로도 몇 초에서 수 개월에 이르는 심방세동 발작이 발생하며, 임상에서 관찰되는 일시성과 지속성 심방세동의 스펙트럼과 일치함.
• 모델은 일시성 심방세동이 추가 병리적 변화 없이도 지속성 심방세동으로 진행될 수 있음을 임상 관찰과 일치시킴.
• 지속성 심방세동의 전이가 섬유화 정도 증가 자체 때문이 아니라 안정적이고 비대칭적인 재진입 순환의 출현 때문임.
• 비대칭 역학을 가진 미세해부학적 재진입은 단순한 확률적 규칙으로부터도 복잡하고 장기적인 심방세동 활동을 생성할 수 있음.
• 모델은 다양한 복잡한 심방세동 역학이 최소한의 역학적 규칙에서 유도될 수 있음을 보여주며, 복잡한 드라이버가 필요하다는 기존의 가정에 도전함.