Turvallisuus on välttämätöntä ennen uusien lääkkeiden antamista potilaille - siksi lääkkeitä testataan miljoonilla eläimillä ympäri maailmaa vuosittain mahdollisten riskien ja sivuvaikutusten havaitsemiseksi. Mutta tutkimukset osoittavat, että sydämen tietokoneimulaatioilla on potentiaalia parantaa lääkkeiden kehittämistä potilaille ja vähentää eläinkokeiden tarvetta.
Eläinkokeet ovat toistaiseksi olleet tarkin ja luotettavin strategia uusien lääkkeiden tarkistamiseksi, mutta se on kallis, aikaa vievä ja joillekin erittäin kiistanalainen.
Joitakin sivuvaikutuksia voidaan myös unohtaa eläinten ja ihmisten erojen vuoksi. Huumekokeet ovat erityisen ongelmallisia tästä syystä, ja on selvää, että tarvitaan uusia testausmenetelmiä parempien ja turvallisempien lääkkeiden kehittämisen mahdollistamiseksi.
Ihmiset ja muut eläimet
Lääkkeiden kehittämisessä käytetään vuosittain erilaisia eläinlajeja - mukaan lukien rotat, hiiret, kanit, marsut, koirat ja siat - ennakoimaan ihmisten sydämen mahdollisia sivuvaikutuksia.
Mutta vaikka taustalla oleva biologia on samanlainen, pienet erot eläin- ja ihmissolujen välillä monistuvat, kun potilas ottaa lääkettä. Se tarkoittaa, että potilaille aiheutuvan riskin ennustaminen rajoittuu tarkkuusasteeseen, joka on noin (75-85 prosenttia), tutkimus osoittaa, ja se johtaa myös lääkkeiden vetämiseen markkinoilta sydän- ja verisuoniturvallisuusongelmien vuoksi.
Nyt on kuitenkin mahdollista testata uusi sydänlääke "virtuaalisella ihmisellä". Oxfordin yliopiston tietotekniikan laitoksen äskettäinen tutkimus osoittaa, että ihmisen sydänsoluja edustavat laskennalliset mallit osoittavat suurempaa tarkkuutta (89-96 prosenttia) kuin eläinmallit. ennustettaessa haittavaikutuksia, kuten vaarallisia rytmihäiriöitä, joissa syke muuttuu epäsäännölliseksi ja voi pysähtyä.
Se osoittaa, että ihmisten laskennalliset mallit tuovat lisäetuja vähentämällä eläinkokeiden käyttöä huumetestauksen varhaisessa vaiheessa; parantaa lääketurvallisuutta ja vähentää siten potilaiden riskiä kliinisissä tutkimuksissa; ja nopeuttaa lääkkeiden kehittämistä potilaille, jotka tarvitsevat kiireellisesti terveydenhuoltoa.
Sydämen tietokonemallit
Brittiläinen biologi Denis Noble aloitti ensin sydämen tietokonemallien kokeilun Oxfordissa vuonna 1960. Siitä lähtien tekniikka on kehittynyt ja se on valmis integroitumaan teollisuus- ja kliiniseen ympäristöön.
Ihmisille suoritetun kokeellisen tiedon ansiosta ihmisen tietokonemallit ovat nyt saatavana eri mittakaavassa, yksittäisistä soluista kokonaisiin sydämiin, ja niitä voidaan käyttää tutkimaan ihmisen sydämen käyttäytymistä terveissä tai sairaissa olosuhteissa ja huumeiden vaikutuksesta.
Yksi malli sopii kaikille -menetelmän sijasta, on olemassa myös uusia väestöpohjaisia lähestymistapoja. Jokainen on erilainen, ja joillakin lääkkeillä voi olla haitallisia sivuvaikutuksia vain tietyille väestönosille, kuten ihmisille, joilla on tietty geneettinen mutaatio tai sairaus.
Laskennallisen sydän- ja verisuonitieteellisen ryhmän tutkimus osoitti, että ihmisen sydänsolujen tietokonemallit ovat tarkempia kuin eläinkokeet ennustamalla lääkkeiden aiheuttamia sivuvaikutuksia sydämelle ihmisillä. Tämä tutkimus voitti kansainvälisen palkinnon, koska sillä oli potentiaalia korvata eläinkokeet laboratorioissa.
Yhdistimme teknologian ohjelmaan, nimeltään Virtual Assay, jota muiden kuin asiantuntijoiden on helppo käyttää mallinnuksessa ja simulaatioissa.
Ohjelmisto tarjoaa yksinkertaisen käyttöliittymän Microsoft Windowsille, johon voidaan rakentaa terveiden sydänsolujen kontrollipopulaatio, jolla on ihmisen tietoihin perustuvat erityiset ominaisuudet. Sitä voidaan sitten käyttää suorittamaan tietokone simuloituja - tunnetuin nimellä silico - lääkekokeita ennen tulosten analysointia. Koko prosessi on erittäin nopea: modernin kannettavan tietokoneen avulla yhden lääkkeen testaaminen kestää alle viisi minuuttia 100 ihmisen sydänsolumallin populaatiossa.
Useat lääkeyhtiöt käyttävät ja arvioivat jo virtuaalikoetta, joka on saatavana ilmaisella akateemisella lisenssillä ja jota voivat käyttää lääkärit ja lääkeyhtiöt.
Tämä tutkimus on osa laajempaa siirtymistä kohti lääketurvallisuustestausten tietokonemallien integrointia, joka sisältää kattavan in vitro -arytmian määritysaloitteen, jota edistävät Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkehallinto ja muut organisaatiot.
Tietotekniikan rajojen siirtäminen
Vaikka sydänsolujen simulaatiot voivat ajaa muutamassa minuutissa, koko sydämen 3D-tietokonemallit vaativat silti valtavan määrän laskentatehoa. Esimerkiksi yksi syke voi kestää noin kolme tuntia supertietokoneessa, jossa on lähes 1 000 prosessoria.
Työskentelemme nyt sydämen 3D-simulaatioilla tutkiaksemme lääkkeiden sydämen turvallisuutta ja tehoa laajemmassa mittakaavassa. Siihen sisältyy sairaiden tilojen, kuten akuutin iskemian, selvittäminen, jossa veren virtaus yhdessä sydämen ympärillä olevista valtimoista on estetty. Tämä tutkimus on myös osa eurooppalaista CompBioMed-hanketta, jonka tarkoituksena on rakentaa tietokonemallit koko ihmiskeholle: virtuaalinen ihminen.
Yhdistämällä akateeminen yhteisö, lääketeollisuus ja sääntelyvirastot toivomme nopeuttavan ihmislähtöisten in silico -menetelmien käyttöönottoa sydänlääkkeiden turvallisuuden ja tehon arvioimiseksi.
Tietokonesimulaatiot ovat nopeampi, halvempi ja tehokas vaihtoehto eläinkokeille - ja niillä on pian tärkeä rooli lääkkeen kehittämisen varhaisvaiheissa.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Elisa Passini, vanhempi tutkija, Oxfordin yliopisto
Blanca Rodriguez, Wellcome Trust, vanhempi biotekniikan perustutkija, laskennallisen lääketieteen professori, päätutkija BHF CRE: ssä, Oxfordin yliopisto
Patricia Benito, Oxfordin yliopisto
