Безопасность обязательна, прежде чем новые лекарства будут предоставлены пациентам - вот почему лекарства проверяются на миллионах животных во всем мире каждый год для выявления возможных рисков и побочных эффектов. Но исследования показывают, что компьютерное моделирование сердца может улучшить разработку лекарств для пациентов и снизить потребность в тестировании на животных.
тестирование на животных, на сегодняшний день, является наиболее точной и надежной стратегией для проверки новых лекарств, но это дорого, отнимает много времени и - для некоторых - весьма спорным.
Существует также вероятность того, что некоторые побочные эффекты будут пропущены из-за различий между животными и людьми. По этой причине испытания лекарств особенно проблематичны, и совершенно очевидно, что необходимы новые методы тестирования, позволяющие разрабатывать более качественные и безопасные лекарства.
Люди и другие животные
Разнообразные виды животных - в том числе крысы, мыши, кролики, морские свинки, собаки и свиньи - используются каждый год при разработке лекарств для прогнозирования возможных побочных эффектов для сердца у людей.
Но хотя основная биология схожа, небольшие различия между клетками животных и человека усиливаются, когда пациент принимает лекарство. Это означает, что прогнозирование риска для пациентов ограничивается степенью точности около (от 75 до 85 процентов), как показывают исследования, и это также приводит к изъятию лекарств с рынка из-за проблем с сердечно-сосудистой безопасностью.
Однако теперь можно испытать новый сердечный препарат на «виртуальном человеке». Наши недавние исследования, проведенные на факультете компьютерных наук Оксфордского университета, показывают, что вычислительные модели, представляющие клетки сердца человека, показывают более высокую точность (89-96 процентов), чем модели на животных. в прогнозировании неблагоприятного лекарственного эффекта, такого как опасная аритмия - когда сердцебиение становится нерегулярным и может остановиться.
Это показывает, что вычислительные модели на людях могут принести дополнительные преимущества за счет сокращения использования экспериментов на животных на ранних стадиях тестирования на наркотики; повышение безопасности лекарств, что снижает риск для пациентов во время клинических испытаний; и ускорение разработки лекарств для пациентов, нуждающихся в неотложной медицинской помощи.
Компьютерные модели сердца
Британский биолог Денис Нобл впервые начал экспериментировать с компьютерными моделями сердца в Оксфорде в 1960 году. С тех пор эта технология эволюционировала и готова к внедрению в промышленных и клинических условиях.
Благодаря экспериментальным данным, полученным человеком, компьютерные модели человека теперь доступны в разных масштабах, от отдельных клеток до целых сердец, и их можно использовать для изучения поведения человеческого сердца в здоровых или больных условиях и при воздействии лекарств.
Вместо метода «одна модель подходит для всех» существуют также новые подходы, основанные на населении. Все люди разные, и некоторые лекарства могут иметь вредные побочные эффекты только для определенных групп населения, таких как люди с определенной генетической мутацией или заболеванием.
Исследование, проведенное группой Computational Cardiovascular Science, показало, что компьютерные модели сердечных клеток на людях более точны, чем эксперименты на животных, для прогнозирования побочных эффектов сердечной деятельности у людей, вызванных лекарственными препаратами. Это исследование получило международную награду за возможность заменить тестирование на животных в лабораториях.
Мы включили эту технологию в программное обеспечение, называемое Virtual Assay, которое легко для неспециалистов использовать при моделировании и симуляции.
Программное обеспечение предлагает простой пользовательский интерфейс для Microsoft Windows, в котором можно построить контрольную популяцию здоровых клеток сердца с определенными свойствами, основанными на данных человека. Затем его можно использовать для запуска компьютерно-симулированных испытаний, известных как in silico, перед анализом результатов. Весь процесс очень быстрый: на современном ноутбуке для тестирования одного препарата в популяции из 100 моделей сердечных клеток человека требуется менее пяти минут.
Несколько фармацевтических компаний уже используют и оценивают Virtual Assay, который доступен с бесплатной академической лицензией и может использоваться клиницистами и фармацевтическими компаниями.
Это исследование является частью более широкого шага в направлении интеграции компьютерных моделей для тестирования безопасности лекарств, который включает в себя инициативу Комплексного анализа проаритмических процессов in vitro, продвигаемую Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США и другими организациями.
Раздвигая границы информатики
Хотя моделирование сердечных клеток может выполняться за несколько минут, трехмерные компьютерные модели всего сердца все еще требуют огромных вычислительных мощностей. Например, одно биение сердца может занять около трех часов в суперкомпьютере с почти 1000 процессорами.
В настоящее время мы работаем над трехмерным моделированием сердца, чтобы изучить безопасность и эффективность лекарственного средства в более широком масштабе. Это включает исследование болезненных состояний, таких как острая ишемия, когда кровоток в одной из артерий вокруг сердца затруднен. Это исследование также является частью европейского проекта CompBioMed по созданию компьютерных моделей для всего человеческого тела: виртуального человека.
Объединяя научные круги, фармацевтическую промышленность и регулирующие органы, мы надеемся ускорить внедрение человеческих методик in silico для оценки безопасности и эффективности сердечных лекарств.
Компьютерное моделирование - более быстрая, дешевая и эффективная альтернатива экспериментам на животных, и вскоре они будут играть важную роль на ранних стадиях разработки лекарств.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Элиза Пассини, старший научный сотрудник Оксфордского университета
Бланка Родригес, Wellcome Trust, старший научный сотрудник в области фундаментальных биомедицинских наук, профессор вычислительной медицины, главный исследователь в BHF CRE, Оксфордский университет
Патриция Бенито, Оксфордский университет
