Pred dajanjem novih zdravil bolnikom je varnost nujno potrebna, zato vsako leto testirajo zdravila na milijone živali po vsem svetu, da odkrijejo možna tveganja in neželene učinke. Toda raziskave kažejo, da lahko računalniške simulacije srca izboljšajo razvoj zdravil za paciente in zmanjšajo potrebo po testiranju na živalih.
Do zdaj je bilo testiranje na živalih najbolj natančna in zanesljiva strategija preverjanja novih zdravil, vendar je drago, dolgotrajno in - za nekatere - zelo sporno.
Zaradi razlik med živalmi in ljudmi je mogoče izpustiti tudi nekatere neželene učinke. Zaradi tega so preizkušanja zdravil še posebej problematična in jasno je, da so potrebne nove metode testiranja, da se omogoči razvoj boljših in varnejših zdravil.
Ljudje in druge živali
Vsako leto se pri razvoju zdravil uporabljajo različne vrste živali - vključno s podganami, miši, zajci, morskimi prašički, psi in prašiči, da se napovejo možni stranski učinki na srce pri ljudeh.
Medtem ko je osnovna biologija podobna, se majhne razlike med živalskimi in človeškimi celicami še povečajo, ko bolnik vzame drogo. To pomeni, da je napovedovanje tveganja za paciente omejeno na stopnjo natančnosti približno (75 do 85 odstotkov), kažejo raziskave, vodi pa tudi do umika zdravil s trga zaradi težav s srčno-žilno varnostjo.
Vendar je zdaj mogoče preizkusiti novo srčno drogo na „virtualnem človeku.“ Naše nedavne raziskave na Oddelku za računalništvo Univerze v Oxfordu kažejo, da računski modeli, ki predstavljajo človeške srčne celice, kažejo večjo natančnost (89–96 odstotkov) kot živalski modeli pri napovedovanju škodljivega učinka zdravila, kot so nevarne aritmije - kjer srčni utrip postane nepravilen in se lahko ustavi.
Pokaže, da bi človeški računski modeli prinesli dodatne prednosti z zmanjšanjem uporabe poskusov na živalih v zgodnjih fazah testiranja na drogah; izboljšati varnost zdravil in s tem zmanjšati tveganje za bolnike med kliničnimi preskušanji; in pospešiti razvoj zdravil za bolnike, ki nujno potrebujejo zdravstveno varstvo.
Računalniški modeli srca
Britanski biolog Denis Noble je prvič začel eksperimentirati z računalniškimi modeli srca v Oxfordu leta 1960. Od takrat se je tehnologija razvijala in je pripravljena za vključitev v industrijske in klinične razmere.
Zahvaljujoč človeškim eksperimentalnim podatkom so modeli človeških računalnikov zdaj na voljo na različnih lestvicah, od posameznih celic do celega srca in jih je mogoče uporabiti za raziskovanje vedenja človeškega srca v zdravih ali obolelih pogojih in pod vplivom drog.
Namesto metode en model, ki ustreza vsem, obstajajo tudi novi pristopi, ki temeljijo na populaciji. Vsi so drugačni, nekatera zdravila pa imajo lahko škodljive stranske učinke le za določene dele prebivalstva, na primer ljudi s specifično gensko mutacijo ali bolezni.
Študija ekipe Computational Cardiovas Science Science je pokazala, da so človeški računalniški modeli srčnih celic natančnejši od poskusov na živalih pri napovedovanju z zdravili povzročenih stranskih učinkov na srce pri ljudeh. Ta raziskava je dobila mednarodno nagrado zaradi svojega potenciala, da nadomešča preskuse na živalih v laboratorijih.
Tehnologijo smo vključili v programsko opremo, imenovano Virtual Assay, ki jo je za strokovnjake enostavno uporabiti pri modeliranju in simulacijah.
Programska oprema ponuja preprost uporabniški vmesnik za Microsoft Windows, v katerem je mogoče sestaviti kontrolno populacijo zdravih srčnih celic s posebnimi lastnostmi na podlagi človeških podatkov. Nato se lahko uporablja za izvajanje računalniško simuliranih - znanih kot v preskušanjih silikonskih zdravil, preden analizira rezultate. Celoten postopek je zelo hiter: traja manj kot pet minut z uporabo sodobnega prenosnika za testiranje enega zdravila na populaciji 100 človeških srčnih celic.
Več farmacevtskih podjetij že uporablja in ocenjuje virtualni test, ki je na voljo z brezplačno akademsko licenco in ga lahko uporabljajo kliniki in farmacevtske družbe.
Ta raziskava je del širšega koraka k integraciji računalniških modelov za testiranje varnosti drog, ki vključuje pobudo Celovit in vitro proaritmija, ki jo je spodbujala ameriška agencija za hrano in zdravila in druge organizacije.
Potiskanje meja računalništva
Medtem ko se simulacije srčnih celic lahko začnejo v nekaj minutah, 3D računalniški modeli celotnega srca še vedno potrebujejo ogromno računalniške moči. En srčni utrip lahko na primer v superračunalniku s skoraj 1000 procesorji traja približno tri ure.
Zdaj delamo na 3D simulacijah srca, da bi raziskali varnost in učinkovitost srčnih drog v širšem obsegu. Vključuje raziskovanje obolelih stanj, kot je akutna ishemija - kjer je pretok krvi v eni od arterij okrog srca oviran. Ta raziskava je tudi del evropskega projekta CompBioMed za izgradnjo računalniških modelov za celotno človeško telo: virtualnega človeka.
Z združevanjem akademskega kroga, farmacevtske industrije in regulatornih agencij upamo, da bomo pospešili uporabo silicijskih metodologij na osnovi človeka za oceno varnosti in učinkovitosti srčnih zdravil.
Računalniške simulacije so hitrejša, cenejša in učinkovitejša alternativa poskusom na živalih - in bodo kmalu igrale pomembno vlogo v zgodnjih fazah razvoja zdravil.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Elisa Passini, višja znanstvena sodelavka, Univerza v Oxfordu
Blanca Rodriguez, starejša znanstvena sodelavka iz osnovne biomedicinske znanosti, profesorica računske medicine, glavna raziskovalka v BHF CRE, University of Oxford
Patricia Benito, Univerza v Oxfordu
