Mniej eksperymentów na zwierzętach dzięki wirtualnej myszce

Jeśli guzowi uda się zagnieździć w mózgu żywego organizmu, z jego perspektywy, zrobił to wyjątkowo sprytnie. Schował się bowiem za jedną z najpotężniejszych barier, które chronią najważniejsze organy ciała: barierą krew-mózg, bardzo selektywnym filtrem, który pozwala przechodzić tylko wybranym substancjom. Większość leków nie zalicza się do nich. Dlatego znalezienie skutecznej chemioterapii przeciwko guzom mózgu jest dla medycyny wielkim wyzwaniem.

W ostatnich latach badania medyczne znalazły obiecującego sojusznika: nanotechnologię. Materiały w skali nano mogą, mówiąc w przenośni, pełnić rolę listonoszy, którzy dostarczają substancje czynne na pożądany adres. Ponieważ nanopartykuły są niewyobrażalnie małe – około 500 razy mniejsze niż średnica ludzkiego włosa – niektórym udaje się przechodzić przez bariery ochronne ciała, nie naruszając ich. Kontynuując przykład guza mózgu: nanopartykuły mogłyby transportować substancje chemoterapeutyczne przez barierę krew-mózg do mózgu, gdzie mogłyby zwalczać guza.

Poszukiwanie odpowiedniego materiału nano
Jednak nanopartykuły, w zależności od zadania, które mają wykonać, muszą mieć określone właściwości: w zależności od kształtu, składu materiału i wielkości rozprzestrzeniają się różnie w ciele i gromadzą w innych organach. Ważne jest zatem, aby dowiedzieć się, które cząstki najlepiej wykonują swoje zadanie i jednocześnie nie wyrządzają szkody. Dotychczas naukowcy używali modeli zwierzęcych, głównie myszy, do zgłębiania tych problemów: podawali myszom różne nanomateriały i badali, jak te rozprzestrzeniały się w ich ciałach i jakie miały efekty uboczne. Jednak te badania na zwierzętach są nie tylko czasochłonne, długotrwałe i kosztowne, ale również problematyczne z etycznego punktu widzenia. Nic dziwnego, że szwajcarskie prawo ochrony zwierząt wymaga ograniczenia liczby eksperymentów na zwierzętach do niezbędnego minimum.

SI-mysz z decydującą przewagą
Jimeng Wu, doktorantka w działach «Nanomateriały w Zdrowiu» i «Technologia i Społeczeństwo», opracowała wirtualną mysz, na której testy te można przeprowadzić za pomocą SI o wiele szybciej. Do tego zwanego modelem farmakokinetycznym opartym na zasadach fizjologicznych (model PBPK), Wu wykorzystała jako podstawę 18 badań na myszach, czyli dane z eksperymentów różnych zespołów badawczych na «prawdziwych» myszach. Dodatkowo zintegrowała ze swoim modelem statystyczną metodę analizy bayesowskiej z symulacjami Markowa Monte Carlo.

Wynikiem jest wirtualna mysz, której można podać – także wirtualne – nanopartykuły. Następnie model oblicza ich rozmieszczenie w ciele myszy na podstawie ich właściwości takich jak wielkość, powłoka i ładunek powierzchniowy. W porównaniu z tradycyjnym modelem PBPK, który jest kalibrowany tylko dla jednej substancji, KI-mysz Wu ma decydującą przewagę: «Model może dostosować swoje parametry do mierzalnych właściwości danego nanopartykułu», wyjaśnia Jimeng Wu. Ta zdolność narzędzie zawdzięcza «wielowymiarowemu modelowi regresji liniowej», podejściu uczenia maszynowego.

Wkład w «Bezpieczny i Zrównoważony od Projektu»
«To oparte na SI narzędzie do przeszukiwania pozwala naukowcom na wirtualne testowanie, który rodzaj nanopartykułów najlepiej nadaje się do określonego zadania, zanim w ogóle zostaną wyprodukowane» – wyjaśnia Jimeng Wu. To nie tylko oszczędza czas, ale także koszty, ponieważ oferuje pomoc przy podejmowaniu decyzji przed rozpoczęciem kosztownych badań klinicznych.

«W ten sposób model wnosi wkład w koncepcję 'Bezpieczny i Zrównoważony od Projektu' (SSbD)», uzupełnia Peter Wick, który wspiera Jimeng Wu wraz z kolegą Berndem Nowackiem w jej doktoracie. Ponieważ wirtualna mysz zwiększa bezpieczeństwo nowych materiałów lub terapii jeszcze przed ich opracowaniem. Jednak badacz z Empa zwraca uwagę, że zbiór danych, na którym model został do tej pory przeszkolony, jest jeszcze dość mały: do tej pory można było znaleźć jedynie 18 recenzowanych artykułów naukowych, których jakość danych była wystarczająca. «W wielu badaniach właściwości używanych nanopartykułów nie są opisywane wystarczająco szczegółowo», zauważa. Ważne jest teraz, aby karmić wirtualną mysz dodatkowymi danymi z badań i weryfikować je, aby zwiększyć wiarygodność prognoz.

Uczynienie modelu użytecznym dla badań na ludziach
Przyszłe prace badawcze Jimeng Wu będą również ukierunkowane na strategię «mostowania», aby przełożyć zasadę jej modelu in silico na badania na ludziach. W tym celu planuje włączyć zasady wirtualnej myszy do modelu PBPK dla człowieka. W przeciwieństwie do jej KI-myszy, która oblicza jedynie dystrybucję nanopartykułów w wątrobie, nerkach, płucach i śledzionie, model in silico dla człowieka mógłby być również używany do badania wrażliwych organów docelowych – na przykład, aby ustalić, w jakim stopniu określone nanopartykuły mogą pokonać barierę krew-mózg. Nawet wspomniany na początku guz mózgu nie mógłby się czuć już bezpiecznie za tą barierą – nanopartykuły mogłyby dostarczyć mu jako «listonosze» przesyłkę z precyzyjnie dobraną dawką chemioterapii.

Kontakt medialny:
Mirjam Schwaller
Komunikacja
Tel. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch

Informacja redakcji: prawa do zdjęcia należą do odpowiedniego wydawcy.