Enne uute ravimite andmist patsientidele on ohutus hädavajalik - seetõttu testitakse ravimeid igal aastal miljonite loomade peal kogu maailmas, et tuvastada võimalikke riske ja kõrvaltoimeid. Kuid uuringud näitavad, et südame arvutisimulatsioonil on potentsiaal parandada patsientide ravimite väljatöötamist ja vähendada loomkatsete vajadust.
Loomkatsed on praeguseks olnud kõige täpsem ja usaldusväärsem strateegia uute ravimite kontrollimiseks, kuid see on kallis, aeganõudev ja mõne jaoks ka väga vaieldav.
Loomade ja inimeste erinevuste tõttu võib ka mõni kõrvaltoime jääda kahe silma vahele. Ravimiuuringud on sel põhjusel eriti probleemsed ja on selge, et paremate ja ohutumate ravimite väljatöötamiseks on vaja uusi testimismeetodeid.
Inimesed ja muud loomad
Igal aastal kasutatakse ravimite väljatöötamisel mitmesuguseid loomaliike - sealhulgas rotte, hiiri, küülikuid, merisead, koeri ja sigu, et ennustada inimeste südame võimalikke kõrvaltoimeid.
Kuid kuigi aluseks olev bioloogia on sarnane, võimenduvad patsiendid ravimi võtmisel loomade ja inimeste rakkude väikesed erinevused. Uuringud näitavad, et patsientide riski ennustamine piirdub täpsuse määraga umbes (75–85 protsenti). Samuti põhjustab see südame-veresoonkonna ohutuse probleemide tõttu ravimite turult kõrvaldamist.
Nüüd on aga võimalik testida uut südameravimit “virtuaalses inimeses”. Meie hiljutine uurimus Oxfordi ülikooli arvutiteaduse osakonnas näitab, et inimese südamerakke esindavad arvutuslikud mudelid näitavad suuremat täpsust (89–96 protsenti) kui loommudelid. ravimite kahjuliku mõju, näiteks ohtlike rütmihäirete ennustamisel - kui südame löögisagedus muutub ebaregulaarseks ja võib peatuda.
See näitab, et inimeste arvutusmudelid tooksid täiendavaid eeliseid, kui vähendaksid loomkatsete kasutamist narkootikumide katsetamise varases staadiumis; ravimiohutuse parandamine, vähendades seeläbi patsientide riski kliiniliste uuringute ajal; ja kiirendada tervishoiuteenuseid vajavate patsientide jaoks ravimite väljatöötamise kiirendamist.
Südame arvutimudelid
Briti bioloog Denis Noble asus esimest korda südame arvutimudelitega katsetama Oxfordis 1960. aastal. Sellest ajast alates on tehnoloogia arenenud ja see on valmis integreerimiseks tööstuslikku ja kliinilisse keskkonda.
Tänu inimkatsete andmetele on inimese arvutimudelid nüüd saadaval erineva skaalaga, alates üksikutest rakkudest kuni tervete südameteni ja neid saab kasutada inimese südame käitumise uurimiseks tervislikes või haigetes tingimustes ja uimastite toimel.
Kõigile kõigile sobiva meetodi asemel on ka uusi populatsioonipõhiseid lähenemisviise. Kõik on erinevad ja mõnel ravimil võivad olla kahjulikud kõrvaltoimed ainult teatud elanikkonna osadele, näiteks konkreetse geneetilise mutatsiooni või haigusega inimestele.
Arvutusliku kardiovaskulaarse teaduse töörühma uuring näitas, et inimese südamerakkude arvutimudelid on täpsemad kui loomkatsed, et ennustada ravimite südamest põhjustatud kõrvaltoimeid inimesele. See teadustöö võitis rahvusvahelise auhinna, kuna sellel oli potentsiaal asendada loomkatseid laborites.
Integreerisime selle tehnoloogia tarkvarasse, mille nimeks on virtuaalne test, mida asjatundjatel on lihtne modelleerimisel ja simulatsioonidel kasutada.
Tarkvara pakub Microsoft Windowsi jaoks lihtsat kasutajaliidest, millesse saab luua inimese andmete põhjal konkreetsete omadustega tervete südamerakkude kontrollpopulatsiooni. Seejärel saab seda enne tulemuste analüüsimist kasutada arvutisimulatsiooni (nn silico) uuringute käivitamiseks. Kogu protsess on väga kiire: ühe inimese testimiseks 100 inimese südamerakkude mudelis kulub moodsa sülearvuti kasutamisel vähem kui viis minutit.
Mitmed farmaatsiaettevõtted juba kasutavad ja hindavad virtuaalset testi, mis on saadaval tasuta akadeemilise litsentsiga ja mida saavad kasutada arstid ja ravimifirmad.
See uurimistöö on osa laiemast sammust ravimiohutuse testimise arvutimudelite integreerimise suunas, mis hõlmab ka USA toidu- ja ravimiameti ning teiste organisatsioonide edendatud algatust Põhjalik in vitro arütmia analüüs.
Arvutiteaduse piiride tõukamine
Kui südamerakkude simulatsioonid võivad käivituda mõne minutiga, vajavad kogu südame 3D-arvutimudelid tohutult arvutusvõimsust. Näiteks võib üks südamelöök pea 1000 protsessoriga superarvutis võtta umbes kolm tundi.
Nüüd töötame südame 3D-simulatsioonide kallal, et uurida ravimite südame ohutust ja tõhusust laiemalt. See hõlmab haigestunud seisundite, näiteks ägeda isheemia - uurimist, mille korral verevool ühes südamearteris on takistatud. See uurimistöö on osa ka Euroopa CompBioMed projektist, mille eesmärk on ehitada arvutimudelid kogu inimkehale: virtuaalsele inimesele.
Akadeemiliste ringkondade, farmaatsiatööstuse ja reguleerivate asutuste ühendamise kaudu loodame kiirendada südamepõhiste ravimite ohutuse ja efektiivsuse hindamiseks inimepõhiste in silico-meetodite kasutuselevõttu.
Arvutisimulatsioonid on kiirem, odavam ja tõhusam alternatiiv loomkatsetele - ning neil on varsti oluline roll ravimite väljatöötamise varases staadiumis.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Elisa Passini, Oxfordi ülikooli vanemteadur
Blanca Rodriguez, Wellcome Trusti biomeditsiini alusteaduste vanemteadur, arvutusmeditsiini professor, Oxfordi ülikooli BHF CRE juhtivteadur
Patricia Benito, Oxfordi ülikool
