Sikkerhed er af afgørende betydning, før nye mediciner gives til patienter - og det er grunden til, at lægemidler testes på millioner af dyr verden over hvert år for at opdage mulige risici og bivirkninger. Men forskning viser, at computersimuleringer af hjertet har potentialet til at forbedre lægemiddeludviklingen for patienter og reducere behovet for dyreforsøg.
Dyreforsøg har hidtil været den mest nøjagtige og pålidelige strategi til kontrol af nye lægemidler, men det er dyrt, tidskrævende og - for nogle - meget kontroversielt.
Der er også potentialet for, at nogle bivirkninger går glip af på grund af forskellene mellem dyr og mennesker. Lægemiddelforsøg er særlig problematiske af denne grund, og det er klart, at nye testmetoder er nødvendige for at muliggøre udvikling af bedre og sikrere medicin.
Mennesker og andre dyr
En række forskellige dyrearter - inklusive rotter, mus, kaniner, marsvin, hunde og svin - bruges hvert år i udvikling af medikamenter til at forudsige de mulige bivirkninger for hjertet hos mennesker.
Men mens den underliggende biologi er ens, forstærkes små forskelle mellem dyre- og humane celler, når en patient tager et lægemiddel. Det betyder, at forudsigelse af risikoen for patienter er begrænset til en nøjagtighed på omkring (75 til 85 procent), viser forskning, og det fører også til lægemiddeludtrækning fra markedet på grund af hjerte-kar-sikkerhedsmæssige problemer.
Imidlertid er det nu muligt at teste et nyt hjertemedicin i et "virtuelt menneske." Vores nylige forskning på University of Oxfords Institut for Computer Science viser, at beregningsmodeller, der repræsenterer menneskelige hjerteceller, viser højere nøjagtighed (89-96 procent) end dyremodeller ved at forudsige en skadelig medikamenteffekt, såsom farlige arytmier - hvor hjerteslag bliver uregelmæssig og kan stoppe.
Det viser, at menneskelige beregningsmodeller ville medføre yderligere fordele ved at reducere brugen af dyreforsøg i tidlige stadier af lægemiddelforsøg; forbedring af lægemiddelsikkerhed og derved sænke risikoen for patienter under kliniske forsøg; og fremskynde udviklingen af medicin til patienter med presserende behov for sundhedsydelser.
Computermodeller af hjertet
Den britiske biolog Denis Noble begyndte først at eksperimentere med computermodeller af hjertet i Oxford i 1960. Siden da har teknologien udviklet sig, og den er klar til at blive integreret i industrielle og kliniske omgivelser.
Takket være menneskelige eksperimentelle data er menneskelige computermodeller nu tilgængelige i forskellige skalaer, fra enkle celler til hele hjerter, og de kan bruges til at udforske det menneskelige hjertes opførsel under sunde eller syge forhold og under lægemiddelhandling.
I stedet for en metode, der passer til alle, er der også nye populationsbaserede tilgange. Alle er forskellige, og nogle medikamenter kan kun have skadelige bivirkninger for visse dele af befolkningen, såsom mennesker med en bestemt genetisk mutation eller sygdom.
Undersøgelsen foretaget af Computational Cardiovascular Science-teamet demonstrerede, at humane computermodeller af hjerteceller er mere nøjagtige end dyreforsøg til at forudsige de medikamentinducerede bivirkninger for hjertet hos mennesker. Denne forskning vandt en international pris på grund af dens potentiale til at erstatte dyreforsøg i laboratorier.
Vi integrerede teknologien i software, kaldet Virtual Assay, som er let for ikke-eksperter at bruge i modellering og simuleringer.
Softwaren tilbyder en simpel brugergrænseflade til Microsoft Windows, hvor en kontrolpopulation af sunde hjerteceller med specifikke egenskaber, baseret på humane data, kan bygges. Det kan derefter bruges til at køre computersimuleret - kendt som i silico - medikamentforsøg, før resultaterne analyseres. Hele processen er meget hurtig: det tager under fem minutter at bruge en moderne bærbar computer til at teste et lægemiddel i en befolkning på 100 humane hjertecellemodeller.
Flere farmaceutiske virksomheder bruger og vurderer allerede Virtual Assay, som er tilgængelig med en gratis akademisk licens og kan bruges af klinikere og farmaceutiske virksomheder.
Denne forskning er del af et bredere skridt hen imod integration af computermodeller til lægemiddelsikkerhedstest, der inkluderer initiativet Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay, der er fremmet af den amerikanske Food and Drug Administration og andre organisationer.
Skubber computervidenskabelige grænser
Mens simuleringer af hjerteceller kan køre i løbet af få minutter, kræver 3D-computermodeller af hele hjertet stadig en enorm mængde computerkraft. Ét hjerterytme kan for eksempel tage cirka tre timer i en supercomputer med næsten 1.000 processorer.
Vi arbejder nu på 3D-simuleringer af hjertet for at udforske lægemiddels hjertesikkerhed og -effektivitet i større skala. Det inkluderer en undersøgelse af syge tilstande, såsom akut iskæmi - hvor blodstrømmen i en af arterierne omkring hjertet er blokeret. Denne forskning er også en del af det europæiske CompBioMed-projekt til opbygning af computermodeller for hele menneskekroppen: et virtuelt menneske.
Ved at samle akademia, farmaceutisk industri og reguleringsorganer håber vi at fremskynde optagelsen af menneskebaseret i silico-metodologier til evaluering af hjertemedicinsk sikkerhed og effektivitet.
Computersimuleringer er et hurtigere, billigere og mere effektivt alternativ til dyreforsøg - og de vil snart spille en vigtig rolle i de tidlige stadier af medikamentudvikling.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Elisa Passini, Senior Research Associate, University of Oxford
Blanca Rodriguez, Wellcome Trust Seniorforsker i grundlæggende biomedicinske videnskaber, professor i computermedicin, hovedundersøger inden for BHF CRE, University of Oxford
Patricia Benito, University of Oxford
