Bezpieczeństwo jest konieczne przed podaniem pacjentom nowych leków - dlatego każdego roku leki są testowane na milionach zwierząt na całym świecie w celu wykrycia możliwego ryzyka i skutków ubocznych. Ale badania pokazują, że komputerowe symulacje serca mogą poprawić rozwój leków u pacjentów i zmniejszyć potrzebę badań na zwierzętach.
Testy na zwierzętach były jak dotąd najdokładniejszą i najbardziej niezawodną strategią sprawdzania nowych leków, ale są drogie, czasochłonne i - dla niektórych - bardzo kontrowersyjne.
Istnieje również możliwość pominięcia niektórych działań niepożądanych ze względu na różnice między zwierzętami i ludźmi. Z tego powodu próby narkotykowe są szczególnie problematyczne i jasne jest, że potrzebne są nowe metody testowania, aby umożliwić opracowanie lepszych i bezpieczniejszych leków.
Ludzie i inne zwierzęta
Różnorodne gatunki zwierząt - w tym szczury, myszy, króliki, świnki morskie, psy i świnie - są wykorzystywane każdego roku do opracowywania leków, aby przewidzieć możliwe skutki uboczne dla serca u ludzi.
Ale chociaż podstawowa biologia jest podobna, niewielkie różnice między komórkami zwierzęcymi i ludzkimi są wzmacniane, gdy pacjent przyjmuje lek. Oznacza to, że przewidywanie ryzyka dla pacjentów jest ograniczone do wskaźnika dokładności około (75 do 85 procent), jak pokazują badania, a także prowadzi do wycofania leku z rynku z powodu problemów związanych z bezpieczeństwem sercowo-naczyniowym.
Obecnie można jednak przetestować nowy lek na serce u „wirtualnego człowieka”. Nasze ostatnie badania na Wydziale Informatyki Uniwersytetu w Oksfordzie pokazują, że modele obliczeniowe przedstawiające ludzkie komórki serca wykazują wyższą dokładność (89–96 procent) niż modele zwierzęce w przewidywaniu niepożądanego działania leku, takiego jak niebezpieczne zaburzenia rytmu serca - w którym bicie serca staje się nieregularne i może się zatrzymać.
Pokazuje, że ludzkie modele obliczeniowe przyniosłyby dodatkowe korzyści poprzez ograniczenie stosowania eksperymentów na zwierzętach we wczesnych etapach testowania leków; poprawa bezpieczeństwa leków, a tym samym obniżenie ryzyka dla pacjentów podczas badań klinicznych; oraz przyspieszenie opracowywania leków dla pacjentów pilnie potrzebujących opieki zdrowotnej.
Komputerowe modele serca
Brytyjski biolog Denis Noble po raz pierwszy zaczął eksperymentować z komputerowymi modelami serca w Oksfordzie w 1960 roku. Od tego czasu technologia ewoluowała i jest gotowa do włączenia w otoczenie przemysłowe i kliniczne.
Dzięki ludzkim danym doświadczalnym modele komputerowe człowieka są teraz dostępne w różnych skalach, od pojedynczych komórek do całych serc, i można je wykorzystać do badania zachowania ludzkiego serca w zdrowych lub chorych warunkach i pod wpływem narkotyków.
Zamiast metody „jeden model dla wszystkich” istnieją również nowe podejścia populacyjne. Każdy jest inny, a niektóre leki mogą mieć szkodliwe skutki uboczne tylko dla niektórych części populacji, takich jak osoby z określoną mutacją genetyczną lub chorobą.
Badanie przeprowadzone przez zespół Computational Cardiovascular Science wykazało, że modele komputerowe ludzkich komórek serca są bardziej dokładne niż eksperymenty na zwierzętach w przewidywaniu wywoływanych przez lek skutków ubocznych dla serca u ludzi. Badania te zdobyły międzynarodową nagrodę ze względu na ich potencjał do zastąpienia testów na zwierzętach w laboratoriach.
Włączyliśmy tę technologię do oprogramowania o nazwie Virtual Assay, który jest łatwy w użyciu dla osób nie będących ekspertami w modelowaniu i symulacjach.
Oprogramowanie oferuje prosty interfejs użytkownika dla systemu Microsoft Windows, w którym można zbudować kontrolną populację zdrowych komórek serca o określonych właściwościach, w oparciu o dane ludzkie. Następnie można go wykorzystać do przeprowadzenia symulacji komputerowej - zwanej in silico - próbami leków przed analizą wyników. Cały proces jest bardzo szybki: testowanie jednego leku w populacji 100 modeli ludzkich komórek serca zajmuje pięć minut za pomocą nowoczesnego laptopa.
Kilka firm farmaceutycznych już używa i ocenia Virtual Assay, który jest dostępny z bezpłatną licencją akademicką i może być używany przez lekarzy i firmy farmaceutyczne.
Badania te są częścią szerszego kroku w kierunku integracji modeli komputerowych do testowania bezpieczeństwa leków, który obejmuje inicjatywę Kompleksowego testu proarytmii in vitro, promowaną przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków oraz inne organizacje.
Przekraczanie granic informatyki
Podczas gdy symulacje komórek serca mogą trwać kilka minut, modele komputerowe 3D całego serca nadal wymagają ogromnej mocy obliczeniowej. Na przykład jedno uderzenie serca może zająć około trzech godzin w superkomputerze z prawie 1000 procesorami.
Pracujemy teraz nad trójwymiarowymi symulacjami serca w celu zbadania bezpieczeństwa serca i skuteczności leków na większą skalę. Obejmuje badanie schorzeń, takich jak ostre niedokrwienie - w którym przepływ krwi w jednej z tętnic wokół serca jest utrudniony. Badania te są również częścią europejskiego projektu CompBioMed, mającego na celu zbudowanie modeli komputerowych dla całego ludzkiego ciała: wirtualnego człowieka.
Łącząc środowisko akademickie, przemysł farmaceutyczny i agencje regulacyjne, mamy nadzieję przyspieszyć przyjęcie metodologii in silico opartych na ludziach do oceny bezpieczeństwa i skuteczności leków na serce.
Symulacje komputerowe są szybszą, tańszą i skuteczną alternatywą dla eksperymentów na zwierzętach - i wkrótce będą odgrywać ważną rolę na wczesnych etapach opracowywania leków.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Elisa Passini, Senior Research Associate, University of Oxford
Blanca Rodriguez, Wellcome Trust Senior Research Fellow w podstawowych naukach biomedycznych, profesor medycyny obliczeniowej, główny badacz w BHF CRE, University of Oxford
Patricia Benito, University of Oxford
