Keselamatan adalah penting sebelum ubat baru diberikan kepada pesakit - itulah sebabnya ubat diuji pada berjuta-juta haiwan di seluruh dunia setiap tahun untuk mengesan kemungkinan risiko dan kesan sampingan. Tetapi penyelidikan menunjukkan simulasi komputer jantung mempunyai potensi untuk meningkatkan pembangunan dadah untuk pesakit dan mengurangkan keperluan untuk ujian haiwan.
Pengujian haiwan telah, sehingga kini, menjadi strategi yang paling tepat dan boleh dipercayai untuk memeriksa ubat baru, tetapi ia mahal, memakan masa dan - untuk beberapa - sangat kontroversial.
Terdapat juga potensi untuk beberapa kesan sampingan yang tidak dapat dilupakan kerana perbezaan antara haiwan dan manusia. Percubaan ubat sangat bermasalah untuk alasan ini dan jelas bahawa kaedah ujian baru diperlukan untuk membolehkan pembangunan ubat-ubatan yang lebih baik dan lebih selamat.
Manusia dan haiwan lain
Pelbagai spesies haiwan - termasuk tikus, tikus, arnab, babi guinea, anjing dan babi - digunakan setiap tahun dalam pembangunan dadah untuk meramalkan kesan sampingan yang mungkin untuk jantung pada manusia.
Tetapi sementara biologi yang mendasarinya sama, perbezaan kecil antara sel haiwan dan manusia dikuatkan apabila pesakit mengambil dadah. Ini bermakna meramalkan risiko kepada pesakit adalah terhad kepada kadar ketepatan sekitar (75 hingga 85 peratus), menunjukkan penyelidikan, dan ia juga membawa kepada pengeluaran dadah dari pasaran kerana masalah keselamatan kardiovaskular.
Walau bagaimanapun, kini mungkin untuk menguji ubat jantung baru dalam "manusia maya." Kajian terbaru kami di University of Oxford Jabatan Sains Komputer menunjukkan bahawa model pengiraan yang mewakili sel-sel hati manusia menunjukkan ketepatan yang tinggi (89-96 peratus) daripada model haiwan dalam meramalkan kesan dadah yang buruk, seperti aritmia berbahaya - di mana denyutan jantung menjadi tidak teratur dan boleh dihentikan.
Ia menunjukkan bahawa model pengkomputeran manusia akan membawa kelebihan tambahan dengan mengurangkan penggunaan eksperimen haiwan pada peringkat awal pengujian dadah; meningkatkan keselamatan dadah, dengan itu menurunkan risiko untuk pesakit semasa ujian klinikal; dan mempercepatkan pembangunan ubat-ubatan untuk pesakit yang memerlukan rawatan kesihatan segera.
Model komputer jantung
Ahli biologi British, Denis Noble mula bereksperimen dengan model komputer jantung di Oxford pada tahun 1960. Sejak itu, teknologi telah berkembang dan ia bersedia untuk disepadukan ke dalam keadaan industri dan klinikal.
Terima kasih kepada data eksperimen manusia, model komputer manusia kini boleh didapati pada skala yang berbeza, dari satu sel ke seluruh hati, dan mereka boleh digunakan untuk meneroka tingkah laku hati manusia dalam keadaan yang sihat atau berpenyakit, dan di bawah tindakan dadah.
Daripada kaedah satu-model-cocok-semua, terdapat juga pendekatan berasaskan populasi baru. Setiap orang adalah berbeza, dan beberapa ubat boleh memberi kesan sampingan yang berbahaya hanya untuk bahagian tertentu penduduk, seperti orang yang mempunyai mutasi atau penyakit genetik tertentu.
Kajian oleh pasukan Sains Kardiovaskular Komputasi menunjukkan bahawa model komputer manusia sel-sel jantung adalah lebih tepat daripada eksperimen haiwan untuk meramalkan kesan sampingan yang disebabkan oleh dadah untuk jantung pada manusia. Penyelidikan ini memenangi hadiah antarabangsa kerana berpotensi untuk menggantikan ujian haiwan di makmal.
Kami menggabungkan teknologi ke dalam perisian, yang digelar Assay Maya, yang mudah untuk bukan pakar untuk digunakan dalam pemodelan dan simulasi.
Perisian ini menawarkan antara muka pengguna yang mudah untuk Microsoft Windows di mana populasi kawalan sel-sel jantung yang sihat dengan sifat tertentu, berdasarkan data manusia, boleh dibina. Ia kemudiannya boleh digunakan untuk menjalankan simulasi komputer - yang dikenali sebagai ujian silico - ubat, sebelum menganalisis hasilnya. Seluruh prosesnya sangat cepat: ia mengambil masa kurang lima minit menggunakan komputer riba moden untuk menguji satu ubat dalam populasi 100 model sel kardiovaskular.
Beberapa syarikat farmaseutikal telah menggunakan dan menilai Assay Maya, yang boleh didapati dengan lesen akademik percuma dan boleh digunakan oleh doktor dan syarikat farmaseutikal.
Kajian ini adalah sebahagian daripada langkah yang lebih luas ke arah integrasi model komputer untuk ujian keselamatan dadah yang merangkumi inisiatif Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay, yang dipromosikan oleh Pentadbiran Makanan dan Dadah AS dan organisasi lain.
Menolak sempadan sains komputer
Walaupun simulasi sel-sel jantung dapat berjalan dalam beberapa minit, model komputer 3D seluruh jantung masih memerlukan sejumlah besar kuasa pengkomputeran. Sebagai satu denyutan jantung, contohnya, boleh mengambil kira-kira tiga jam dalam superkomputer dengan hampir 1, 000 pemproses.
Kami kini sedang mengendalikan simulasi 3D hati untuk meneroka keselamatan dan keberkesanan jantung ubat pada skala yang lebih besar. Ia termasuk penerokaan keadaan berpenyakit, seperti iskemia akut - di mana aliran darah di salah satu arteri di sekeliling jantung terhalang. Penyelidikan ini juga merupakan sebahagian daripada projek CompBioMed Eropah untuk membina model komputer untuk seluruh tubuh manusia: manusia maya.
Dengan menyatukan akademia, industri farmaseutikal dan agensi pengawalseliaan kami berharap dapat mempercepatkan pengambilan berasaskan manusia dalam metodologi silico untuk penilaian keselamatan dan keberkesanan dadah kardiak.
Simulasi komputer adalah alternatif yang lebih cepat, lebih murah dan berkesan untuk eksperimen haiwan - dan mereka akan memainkan peranan penting dalam peringkat awal pembangunan dadah.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Elisa Passini, Associate Research Senior, University of Oxford
Blanca Rodriguez, Fellow Penyelidik Sastera Wellcome Trust dalam Sains Biokimia Asas, Profesor Perubatan Pengkomputeran, Penyiasat Utama dalam BHF CRE, University of Oxford
Patricia Benito, University of Oxford
