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用于长期管理心律失常的药物，这种疾病发生在心脏电脉冲变得不规则并使患者面临猝死风险时，几十年来一直困扰着研究人员。尽管尽了最大努力，但大多数旨在平复异常快速心跳的药物，即一种被称为快速性心律失常的心律失常，都失败了。多项临床试验，包括1986年具有开创性的心脏心律失常抑制试验(CAST)，甚至表明，使用某些旨在纠正快速性心律失常的药物——尤其是恩卡尼和氟卡尼——实际上增加了死亡风险。
在美国，心律失常每年导致近25万人死亡。当一个额外的心跳在人的正常心脏节律中产生时，就会触发快速性心律失常。像氟卡尼这样的药物原本有望抑制导致每分钟更多心跳的触发因素，但实际上却创造了条件使快速性心律失常恶化。治疗这种情况的药物的问题在于它们的不可预测性——例如，药物利多卡因已被证明在某些条件下对治疗某些类型的快速性心律失常有益。
加州大学戴维斯分校药理学系副教授Colleen Clancy说：“一直没有办法筛选出哪些药物在给定的临床环境中最为有用。” [阅读更多关于心脏计算机建模的内容：“使用计算机来模拟心脏……何必呢？”]
考虑到这一点，Clancy 一直与来自哥伦比亚大学、康奈尔大学和约翰·霍普金斯大学的研究团队合作，开发人类心脏的计算机模型，该模型可以帮助预测至少一些用于治疗某些快速性心律失常的药物的副作用。根据 Clancy 及其同事在8月31日出版的科学转化医学杂志上发表的研究，他们的目标是创建一个“虚拟药物筛选系统，该系统模拟药物-通道相互作用并预测药物对心脏中突发电活动的影响”。
心肌细胞通过细胞膜上开放和关闭的离子通道产生电信号。这些信号从一个细胞传播到另一个细胞，并在整个心脏中表现为电波，告知心肌以规则的间隔收缩并将血液泵送到大脑和重要器官。为了预测抗心律失常药物将如何改变心脏节律，研究人员必须首先确定药物将如何与这些离子通道相互作用。
最初，人们认为抗心律失常药物通过堵塞离子通道来降低电活动。随着 CAST 和其他研究对这些假设提出质疑，Clancy 及其同事开发了表示离子通道开放和关闭的数学方程式。他们将这些方程式与其他数学算法相结合，创建了一个人类心脏的计算机模型。研究人员使用来自氟卡尼和利多卡因药物作用的实验测量数据，然后将这些抗心律失常药物的虚拟表示引入心脏模型。
模拟软件在多个高性能计算机集群上运行，这些集群由多台服务器同时工作以提高处理能力。在一个计算机实验中，当研究人员测试药物对单个心肌细胞的影响时，两种药物都成功减慢了心跳。然而，在另一个基于计算机的实验中，当在整个心脏的虚拟模型上进行测试时，氟卡尼产生了严重的副作用，导致心律失常，而不是预防异常节律。这些结果与 CAST 的研究结果一致，该研究表明，服用氟卡尼的患者发生致命性心律失常的可能性是服用安慰剂的患者的两到三倍。“在没有这些数据的情况下，我们不会知道该模型是否运行正常以及我们是否做出了准确的预测，”Clancy 说。
这些结果在很多方面都具有重要意义。首先，研究人员能够比在实验动物身上进行研究更有效地模拟和测试药物在各种浓度、心率和心律失常触发因素下的影响。“我们是在模拟人类心脏的环境中测试这些药物，”Clancy 说。“这些模型并不完美，但它们比小鼠更接近人类，而且众所周知，药物表现出物种依赖性效应。在我们能够进行人体试验之前，而且我看不出这种情况会在短期内发生，这可能是次好的选择。”
该软件的未来版本也可能用于筛选出有问题的药物化合物，以及在进行昂贵的动物试验和后来的临床试验之前，识别出那些具有潜力的药物化合物。“该模型甚至可以用于识别理想的治疗方法——药物需要在特定临床环境中发挥作用的特性，”Clancy 说。
在五年内，研究人员希望创建一个数据库，记录用于治疗不同类型心律失常的所有原型药物的行为，包括以异常缓慢的心率表征的心动过缓。由此产生的新模型也可能用于揭示驱动抗心律失常药物常见副作用的机制。