Η ασφάλεια είναι επιβεβλημένη πριν από τη χορήγηση νέων φαρμάκων σε ασθενείς - γι 'αυτό και τα φάρμακα δοκιμάζονται σε εκατομμύρια ζώα παγκοσμίως κάθε χρόνο για τον εντοπισμό πιθανών κινδύνων και παρενεργειών. Ωστόσο, οι έρευνες δείχνουν ότι οι υπολογιστικές προσομοιώσεις της καρδιάς έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν την ανάπτυξη φαρμάκων για τους ασθενείς και να μειώσουν την ανάγκη για δοκιμές σε ζώα.
Οι δοκιμές με πειραματόζωα έχουν μέχρι στιγμής αποτελέσει την πιο ακριβή και αξιόπιστη στρατηγική για τον έλεγχο νέων φαρμάκων, αλλά είναι δαπανηρές, χρονοβόρες και - για ορισμένους - εξαιρετικά αμφιλεγόμενες.
Υπάρχει επίσης το ενδεχόμενο να χάσετε κάποιες παρενέργειες λόγω των διαφορών μεταξύ ζώων και ανθρώπων. Οι δοκιμές για τα ναρκωτικά είναι ιδιαίτερα προβληματικές για αυτόν τον λόγο και είναι σαφές ότι απαιτούνται νέες μέθοδοι δοκιμών για την ανάπτυξη καλύτερων και ασφαλέστερων φαρμάκων.
Άνθρωποι και άλλα ζώα
Μια ποικιλία ειδών ζώων - συμπεριλαμβανομένων των αρουραίων, των ποντικών, των κουνελιών, των ινδικών χοιριδίων, των σκύλων και των χοίρων - χρησιμοποιείται κάθε χρόνο στην ανάπτυξη φαρμάκων για την πρόβλεψη των πιθανών παρενεργειών για την καρδιά στους ανθρώπους.
Αλλά ενώ η υποκείμενη βιολογία είναι παρόμοια, μικρές διαφορές μεταξύ ζωικών και ανθρώπινων κυττάρων ενισχύονται όταν ο ασθενής παίρνει ένα φάρμακο. Αυτό σημαίνει ότι η πρόβλεψη του κινδύνου για τους ασθενείς περιορίζεται σε ποσοστό ακριβείας περίπου 75-85%, δείχνει η έρευνα και οδηγεί επίσης στην απόσυρση φαρμάκων από την αγορά λόγω προβλημάτων καρδιαγγειακής ασφάλειας.
Η πρόσφατη έρευνα στο Τμήμα Πληροφορικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης καταδεικνύει ότι τα υπολογιστικά μοντέλα που αντιπροσωπεύουν τα ανθρώπινα καρδιακά κύτταρα παρουσιάζουν μεγαλύτερη ακρίβεια (89-96%) από τα ζωικά μοντέλα στην πρόβλεψη ενός ανεπιθύμητου αποτελέσματος φαρμάκου, όπως επικίνδυνες αρρυθμίες - όπου ο καρδιακός παλμός γίνεται ακανόνιστος και μπορεί να σταματήσει.
Δείχνει ότι τα ανθρώπινα υπολογιστικά μοντέλα θα προσέφεραν πρόσθετα πλεονεκτήματα μειώνοντας τη χρήση πειραμάτων σε ζώα σε πρώιμα στάδια της δοκιμής φαρμάκων. βελτιώνοντας την ασφάλεια των φαρμάκων, μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο για τους ασθενείς κατά τη διάρκεια κλινικών δοκιμών · και την επιτάχυνση της ανάπτυξης φαρμάκων για ασθενείς που χρειάζονται επειγόντως υγειονομική περίθαλψη.
Υπολογιστικά μοντέλα της καρδιάς
Ο Βρετανός βιολόγος Denis Noble άρχισε αρχικά να πειραματίζεται με μοντέλα υπολογιστών της καρδιάς στην Οξφόρδη το 1960. Από τότε η τεχνολογία έχει εξελιχθεί και είναι έτοιμη να ενσωματωθεί σε βιομηχανικά και κλινικά περιβάλλοντα.
Χάρη στα ανθρώπινα πειραματικά δεδομένα, τα μοντέλα των ανθρώπινων υπολογιστών είναι τώρα διαθέσιμα σε διαφορετικές κλίμακες, από μεμονωμένα κύτταρα έως ολόκληρες καρδιές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διερευνήσουν τη συμπεριφορά της ανθρώπινης καρδιάς σε υγιείς ή άρρωστες συνθήκες και υπό τη δράση φαρμάκων.
Αντί για μια μέθοδο ενός μοντέλου-ταιριάζει, υπάρχουν και νέες προσεγγίσεις με βάση τον πληθυσμό. Ο καθένας είναι διαφορετικός και ορισμένα φάρμακα μπορεί να έχουν επιβλαβείς παρενέργειες μόνο για ορισμένα μέρη του πληθυσμού, όπως άτομα με συγκεκριμένη γενετική μετάλλαξη ή ασθένεια.
Η μελέτη από την ομάδα υπολογιστικών καρδιαγγειακών επιστημών έδειξε ότι τα μοντέλα ανθρώπινων υπολογιστών καρδιακών κυττάρων είναι ακριβέστερα από πειράματα σε ζώα στην πρόβλεψη των προκαλούμενων από το φάρμακο παρενεργειών για την καρδιά στους ανθρώπους. Η έρευνα αυτή κέρδισε ένα διεθνές βραβείο εξαιτίας του δυναμικού της να αντικαταστήσει τα πειράματα σε ζώα σε εργαστήρια.
Έχουμε ενσωματώσει την τεχνολογία στο λογισμικό, μεταγλωττισμένο Virtual Assay, το οποίο είναι εύκολο για τους μη ειδικούς που χρησιμοποιούν στη μοντελοποίηση και προσομοιώσεις.
Το λογισμικό προσφέρει μια απλή διεπαφή χρήστη για τα Microsoft Windows, στην οποία μπορεί να κατασκευαστεί ένας πληθυσμός ελέγχου υγιών καρδιακών κυττάρων με συγκεκριμένες ιδιότητες, με βάση τα δεδομένα του ανθρώπου. Στη συνέχεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση προσομοιωμένων με υπολογιστή - γνωστών ως δοκιμών σε σίλικα-φάρμακα, πριν από την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Η όλη διαδικασία είναι πολύ γρήγορη: χρειάζονται λιγότερο από πέντε λεπτά για να δοκιμάσουν ένα φάρμακο σε έναν πληθυσμό 100 ανθρώπινων καρδιακών κυττάρων.
Αρκετές φαρμακευτικές εταιρείες χρησιμοποιούν ήδη και αξιολογούν το Virtual Assay, το οποίο διατίθεται με δωρεάν ακαδημαϊκή άδεια και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από ιατρούς και φαρμακευτικές εταιρείες.
Η έρευνα αυτή αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας για την ενσωμάτωση μοντέλων ηλεκτρονικών υπολογιστών για τη δοκιμή ασφάλειας φαρμάκων που περιλαμβάνει την ολοκληρωμένη πρωτοβουλία In vitro Proarrythmia Assay, η οποία προωθείται από την Αμερικανική Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων και άλλους οργανισμούς.
Προωθώντας τα όρια της επιστήμης των υπολογιστών
Ενώ οι προσομοιώσεις των κυττάρων της καρδιάς μπορούν να λειτουργήσουν σε λίγα λεπτά, τα μοντέλα 3D υπολογιστών ολόκληρης της καρδιάς απαιτούν ακόμα ένα τεράστιο ποσό υπολογιστικής ισχύος. Ένας καρδιακός παλμός, για παράδειγμα, μπορεί να διαρκέσει περίπου τρεις ώρες σε έναν υπερυπολογιστή με σχεδόν 1.000 επεξεργαστές.
Εργαζόμαστε τώρα σε 3D προσομοιώσεις της καρδιάς για να διερευνήσουμε την καρδιακή ασφάλεια και αποτελεσματικότητα της καρδιάς σε μεγαλύτερη κλίμακα. Περιλαμβάνει μια εξερεύνηση ασθενών συνθηκών, όπως είναι η οξεία ισχαιμία - όπου η ροή αίματος σε μία από τις αρτηρίες γύρω από την καρδιά εμποδίζεται. Η έρευνα αυτή αποτελεί επίσης μέρος του ευρωπαϊκού προγράμματος CompBioMed για την κατασκευή μοντέλων υπολογιστών για ολόκληρο το ανθρώπινο σώμα: έναν εικονικό άνθρωπο.
Συγκεντρώνοντας την ακαδημαϊκή κοινότητα, τη φαρμακοβιομηχανία και τις ρυθμιστικές υπηρεσίες, ελπίζουμε να επιταχυνθεί η υιοθέτηση μεθολογικών μεθόδων που βασίζονται στον άνθρωπο in silico για την αξιολόγηση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας των καρδιακών φαρμάκων.
Οι προσομοιώσεις υπολογιστών αποτελούν ταχύτερη, φθηνότερη και αποτελεσματικότερη εναλλακτική λύση σε πειράματα σε ζώα - και σύντομα θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης φαρμάκων.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Elisa Passini, Ανώτερος Ερευνητής, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης
Blanca Rodriguez, Wellcome Trust Ανώτερος ερευνητής σε βασικές βιοϊατρικές επιστήμες, Καθηγητής Υπολογιστικής Ιατρικής, Κύριος ερευνητής στο BHF CRE, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης
Patricia Benito, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης
