Před podáním nových léčivých přípravků pacientům je bezpodmínečně nutná bezpečnost - proto se léky každoročně testují na milionech zvířat na celém světě, aby se zjistila možná rizika a vedlejší účinky. Výzkum však ukazuje, že počítačové simulace srdce mají potenciál zlepšit vývoj léčiv pro pacienty a snížit potřebu testování na zvířatech.
Testování na zvířatech bylo doposud nejpřesnější a nejspolehlivější strategií pro kontrolu nových léků, ale je to drahé, časově náročné a - pro některé - vysoce kontroverzní.
Existuje také možnost, že některé vedlejší účinky zmizí z důvodu rozdílů mezi zvířaty a lidmi. Z tohoto důvodu jsou drogové studie obzvláště problematické a je zřejmé, že jsou zapotřebí nové testovací metody, které umožní vývoj lepších a bezpečnějších léků.
Lidé a jiná zvířata
Při vývoji léčiv se každý rok používá řada druhů zvířat - včetně potkanů, myší, králíků, morčat, psů a prasat, aby se předpovídaly možné vedlejší účinky na srdce u lidí.
Ale zatímco základní biologie je podobná, malé rozdíly mezi živočišnými a lidskými buňkami se zesilují, když pacient vezme lék. To znamená, že předpovídání rizika pro pacienty je omezeno na míru přesnosti přibližně (75 až 85 procent), jak ukazují výzkumy, a také to vede k stažení léčiv z trhu kvůli problémům s kardiovaskulární bezpečností.
Nyní je však možné otestovat nový lék na srdce u „virtuálního člověka“. Náš nedávný výzkum na University of Oxford's Department of Computer Science ukazuje, že výpočetní modely představující lidské srdeční buňky vykazují vyšší přesnost (89–96 procent) než zvířecí modely. při předpovídání nepříznivých účinků léků, jako jsou nebezpečné arytmie - kdy se srdeční rytmus stane nepravidelným a může se zastavit.
Ukazuje, že lidské výpočetní modely by přinesly další výhody snížením používání pokusů na zvířatech v raných stádiích testování drog; zlepšení bezpečnosti léků, čímž se sníží riziko pro pacienty během klinických hodnocení; a urychlení vývoje léků pro pacienty, kteří naléhavě potřebují zdravotní péči.
Počítačové modely srdce
Britský biolog Denis Noble začal experimentovat s počítačovými modely srdce v Oxfordu v roce 1960. Od té doby se technologie vyvinula a je připravena k integraci do průmyslového a klinického prostředí.
Díky lidským experimentálním datům jsou nyní lidské počítačové modely k dispozici v různých měřítcích, od jednotlivých buněk po celá srdce a mohou být použity k prozkoumání chování lidského srdce ve zdravých nebo nemocných podmínkách a při působení drog.
Namísto metody „one-model-fits-all“ existují i nové přístupy založené na populaci. Každý je jiný a některé léky mohou mít škodlivé vedlejší účinky pouze pro určité části populace, jako jsou lidé se specifickou genetickou mutací nebo nemocí.
Studie týmu výpočetní kardiovaskulární vědy prokázala, že lidské počítačové modely srdečních buněk jsou přesnější než experimenty na zvířatech při předpovídání vedlejších účinků srdce na člověka u lidí. Tento výzkum získal mezinárodní cenu díky svému potenciálu nahradit testování na zvířatech v laboratořích.
Tuto technologii jsme začlenili do softwaru nazývaného Virtual Assay, který je pro laiky snadné použít při modelování a simulacích.
Tento software nabízí jednoduché uživatelské rozhraní pro Microsoft Windows, ve kterém lze sestavit kontrolní populaci zdravých srdečních buněk se specifickými vlastnostmi, založených na lidských údajích. Poté může být použit k provedení počítačových simulací - známých jako u siliko - drogových studií, před analýzou výsledků. Celý proces je velmi rychlý: testování moderního notebooku v populaci 100 modelů lidských srdečních buněk trvá do pěti minut.
Několik farmaceutických společností již používá a vyhodnocuje virtuální test, který je k dispozici s bezplatnou akademickou licencí a mohou jej používat kliničtí lékaři a farmaceutické společnosti.
Tento výzkum je součástí širšího posunu směrem k integraci počítačových modelů pro testování bezpečnosti léčiv, která zahrnuje iniciativu Komplexní in vitro test proarytmie, podporovanou americkou Správou potravin a léčiv a dalšími organizacemi.
Posouvat hranice počítačové vědy
Zatímco simulace srdečních buněk mohou běžet během několika minut, 3D počítačové modely celého srdce stále vyžadují obrovské množství výpočetní síly. Jeden tep může například trvat asi tři hodiny v superpočítači s téměř 1 000 procesory.
Nyní pracujeme na 3D simulacích srdce, abychom prozkoumali srdeční bezpečnost a účinnost léků ve větším měřítku. Zahrnuje zkoumání chorobných stavů, jako je akutní ischémie - kde je znemožněn průtok krve v jedné z tepen kolem srdce. Tento výzkum je také součástí evropského projektu CompBioMed zaměřeného na vytváření počítačových modelů pro celé lidské tělo: virtuální člověka.
Spojením akademické obce, farmaceutického průmyslu a regulačních agentur doufáme, že urychlíme přijímání silikonových metodik pro hodnocení bezpečnosti a účinnosti srdečních léčiv.
Počítačové simulace jsou rychlejší, levnější a účinnější alternativou k pokusům na zvířatech - a brzy budou hrát důležitou roli v raných fázích vývoje léčiv.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Elisa Passini, Senior Research Associate, University of Oxford
Blanca Rodriguez, Wellcome Trust, hlavní výzkumný pracovník v základních biomedicínských vědách, profesor výpočetní medicíny, hlavní řešitel v BHF CRE, Oxfordská univerzita
Patricia Benito, Oxfordská univerzita
