Безопасността е наложителна, преди да се дават нови лекарства на пациентите - затова лекарствата се тестват на милиони животни по света всяка година, за да се открият възможни рискове и странични ефекти. Но изследванията показват, че компютърните симулации на сърцето имат потенциал да подобрят разработването на лекарства за пациентите и да намалят нуждата от тестване на животни.
Към днешна дата тестването върху животни е било най-точната и надеждна стратегия за проверка на нови лекарства, но е скъпа, отнема време и - за някои - много противоречива.
Има също така потенциал да се пропуснат някои странични ефекти поради разликите между животни и хора. Изпитванията за лекарства са особено проблематични по тази причина и е ясно, че са необходими нови методи за тестване, за да се даде възможност за разработването на по-добри и безопасни лекарства.
Хора и други животни
Различни видове животни - включително плъхове, мишки, зайци, морски свинчета, кучета и прасета - се използват всяка година при разработване на лекарства, за да се предскаже възможните странични ефекти за сърцето при хората.
Но докато основната биология е сходна, малките разлики между клетките на животните и хората се усилват, когато пациентът приема лекарство. Това означава, че прогнозирането на риска за пациентите е ограничено до степен на точност от около (75 до 85 процента), показват изследвания, а също така води до изтегляне на лекарства от пазара поради проблеми със сърдечносъдовата безопасност.
Въпреки това, сега е възможно да се тества нов сърдечен наркотик на „виртуален човек“. Нашето скорошно проучване в катедрата по компютърни науки на Оксфордския университет в Оксфорд показва, че изчислителните модели, представляващи човешки сърдечни клетки, показват по-голяма точност (89-96 процента) от животинските модели при прогнозиране на неблагоприятен лекарствен ефект, като например опасни аритмии - където сърдечният ритъм става нередовен и може да спре.
Това показва, че изчислителните модели на човека биха донесли допълнителни предимства чрез намаляване на използването на експерименти с животни в ранните етапи на тестване на наркотици; подобряване на безопасността на лекарствата, като по този начин намалява риска за пациентите по време на клинични изпитвания; и ускоряване на разработването на лекарства за пациенти, които спешно се нуждаят от здравни грижи.
Компютърни модели на сърцето
Британският биолог Денис Ноубъл пръв започва експерименти с компютърни модели на сърцето в Оксфорд през 1960 г. Оттогава технологията се развива и тя е готова да бъде интегрирана в индустриални и клинични условия.
Благодарение на експерименталните данни за човека, компютърните модели на човека вече са достъпни в различни мащаби, от единични клетки до цели сърца и те могат да се използват за изследване на поведението на човешкото сърце при здрави или болни заболявания и под въздействие на наркотици.
Вместо един модел, подходящ за всички, съществуват и нови базирани на населението подходи. Всеки е различен и някои лекарства могат да имат вредни странични ефекти само за определени части от популацията, например хора със специфична генетична мутация или заболяване.
Изследването на екипа на Computational Cardiovas Science показа, че човешките компютърни модели на сърдечни клетки са по-точни от експериментите с животни при прогнозиране на предизвиканите от лекарството странични ефекти за сърцето при хората. Това изследване спечели международна награда заради потенциала си да замести изпитванията върху животни в лаборатории.
Интегрирахме технологията в софтуер, наречен Virtual Assay, който е лесен за използване от неексперти при моделиране и симулации.
Софтуерът предлага опростен потребителски интерфейс за Microsoft Windows, в който може да се изгради контролна популация от здрави сърдечни клетки със специфични свойства, базирани на човешки данни. След това може да се използва за стартиране на компютърно симулиран - известен като при изпитвания със силико-лекарства, преди да се анализират резултатите. Целият процес е много бърз: отнема по-малко от пет минути с помощта на модерен лаптоп за тестване на едно лекарство в популация от 100 модела човешки сърдечни клетки.
Няколко фармацевтични компании вече използват и оценяват Virtual Assay, който се предлага с безплатен академичен лиценз и може да бъде използван от клиницисти и фармацевтични компании.
Това изследване е част от по-широк ход към интегрирането на компютърни модели за тестване за безопасност на наркотиците, което включва Програмата за цялостно изследване на проаритмия in vitro, насърчена от Американската администрация по храните и лекарствата и други организации.
Изтласкване на границите на информатиката
Докато симулациите на сърдечни клетки могат да стартират за няколко минути, 3D компютърните модели на цялото сърце все още изискват огромно количество изчислителна мощност. Един сърдечен пулс, например, може да отнеме около три часа в суперкомпютър с почти 1000 процесори.
Сега работим върху 3D симулации на сърцето, за да изследваме сърдечната безопасност и ефикасността на наркотиците в по-голям мащаб. Тя включва изследване на болни състояния, като остра исхемия - при която кръвотокът в една от артериите около сърцето е възпрепятстван. Това изследване също е част от европейския проект CompBioMed за изграждане на компютърни модели за цялото човешко тяло: виртуален човек.
С обединяването на академичните среди, фармацевтичната индустрия и регулаторните агенции се надяваме да ускорим приемането на силикологични методологии, базирани на хора, за оценка на безопасността и ефикасността на сърдечните лекарства.
Компютърните симулации са по-бърза, по-евтина и ефективна алтернатива на експериментите с животни - и те скоро ще играят важна роля в ранните етапи на разработване на лекарства.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Елиза Пасини, старши научен сътрудник на Университета в Оксфорд
Бланка Родригес, старши научен сътрудник по основни биомедицински науки, професор по компютърна медицина, главен изследовател в CRE на BHF, Оксфордския университет
Патриша Бенито, Оксфордски университет
