Un mouse virtual AI testează nanomedicina fără utilizarea animalelor vii
Când o tumoră reușește să se instaleze în creierul unui organism viu, din perspectiva sa, a făcut ceva deosebit de inteligent.
Se ascunde în spatele uneia dintre cele mai puternice bariere cu care corpul își protejează cele mai importante organe: bariera hematoencefalică, un filtru foarte selectiv care permite trecerea doar a anumitor substanțe. Majoritatea medicamentelor nu sunt printre acestea. Prin urmare, găsirea unei chimioterapii eficiente pentru tumorile cerebrale reprezintă o provocare majoră pentru cercetarea biomedicală.
În ultimii ani, cercetătorii au găsit un aliat promițător: nanotehnologia. Materialele la scară nanometrică pot, figurativ vorbind, să îndeplinească rolul unor poștași care livrează substanțele active la adresa corectă. Deoarece nanoparticulele sunt incredibil de mici – de aproximativ 500 de ori mai mici decât diametrul unui fir de păr uman mediu – unele reușesc să treacă prin barierele de protecție ale corpului fără a le dăuna. De exemplu, nanoparticulele ar putea transporta medicamente chimioterapice prin bariera hematoencefalică, unde pot combate tumora cerebrală.
Cu toate acestea, în funcție de sarcina pe care trebuie să o îndeplinească, nanoparticulele trebuie să aibă proprietăți foarte specifice: în funcție de forma, compoziția materialului și dimensiunea lor, acestea se distribuie foarte diferit în organism și se acumulează în diferite organe. Prin urmare, este important să se determine care particule își îndeplinesc sarcina cel mai bine și cauzează cât mai puțin daune posibil. Până acum, cercetătorii au folosit în principal modele de șoareci pentru a răspunde la aceste întrebări: au administrat diverse tipuri de nanomateriale șoarecilor și apoi au examinat cum s-au distribuit acestea în organismul șoarecilor și ce efecte secundare au provocat. Totuși, aceste studii pe animale nu sunt doar complexe, consumatoare de timp și costisitoare, ci ridică și probleme etice. Nu este fără motiv că legislația elvețiană privind protecția animalelor cerești prevede ca numărul experimentelor pe animale să fie menținut la minimul necesar.
Cercetătorul Empa, Jimeng Wu, a dezvoltat, așadar, un mouse virtual care utilizează AI pentru a efectua aceste teste într-un mod mult mai eficient din punct de vedere al timpului. Wu a bazat acest model, denumit model de farmacocinetică bazat pe fiziologie (model PBPK), pe 18 studii pe șoareci: date din experimente realizate de diverse echipe de cercetare pe șoareci vii. De asemenea, a integrat o metodă statistică, analiza bayesiană cu simulări Monte Carlo prin lanțuri Markov, în modelul său. Rezultatul este un mouse virtual care poate fi administrat – de asemenea, virtual – nanoparticule. Modelul calculează apoi distribuția acestora în corpul șoarecelui, pe baza unor proprietăți precum dimensiunea, învelișul și sarcina de suprafață. Comparativ cu un model PBPK tradițional, care este calibrat pentru o singură substanță de fiecare dată, mouse-ul AI al lui Wu are un avantaj decisiv: „Modelul poate adapta parametrii săi la proprietățile măsurabile ale nanoparticulei respective”, explică Jimeng Wu. Acest instrument își datorează această capacitate modelului de regresie liniară multivariată, o abordare de învățare automată.
„Acest instrument de screening sprijinit de AI permite cercetătorilor să testeze virtual care tip de nanoparticule sunt cele mai potrivite pentru o sarcină specifică înainte de a fabrica chiar aceste particule”, explică Jimeng Wu. Acest lucru nu doar că economisește timp, ci și costuri, deoarece oferă un instrument de luare a deciziilor înainte de a începe un trial clinic costisitor. „Modelul contribuie astfel la conceptul de Safe and Sustainable by Design (SSbD)”, adaugă Peter Wick, care supraveghează teza de doctorat a lui Jimeng Wu împreună cu colegul său Bernd Nowack. Aceasta se datorează faptului că mouse-ul virtual crește siguranța noilor materiale sau terapii chiar înainte de a fi dezvoltate. Totuși, el subliniază că setul de date utilizat pentru a antrena modelul este încă foarte limitat: până acum, au fost găsite doar 18 lucrări revizuite de colegi cu o calitate a datelor suficientă. „În multe studii, proprietățile nanoparticulelor utilizate nu sunt descrise în detaliu adecvat”, remarcă el. Sarcina acum este de a alimenta mouse-ul virtual cu date suplimentare din studii și de a-l valida pentru a crește și mai mult fiabilitatea predicțiilor. „Obiectivul nostru pe termen lung este de a scurta procesul de dezvoltare a materialelor de nanomedicină până la utilizarea lor ca medicamente la pacienți, ideal evitând testele pe animale”, subliniază el.
Cercetările viitoare ale lui Jimeng Wu se vor concentra, de asemenea, pe o așa-numită „strategie de punte” pentru a transfera principiul modelului său in silico la cercetarea umană. În acest scop, ea plănuiește să integreze principiile mouse-ului virtual într-un model PBPK uman. Spre deosebire de șoarecele său simulat, care calculează doar distribuția nanoparticulelor în ficat, rinichi, plămâni și splină, un model in silico uman ar putea fi folosit și pentru a studia organele țintă sensibile – de exemplu, pentru a investiga în ce măsură anumite nanoparticule pot traversa bariera hematoencefalică. Chiar și tumora cerebrală menționată la început nu ar mai fi în siguranță în spatele acestei bariere – nanoparticulele ar putea acționa ca „poștași” și livra un pachet conținând o doză țintită de chimioterapie.
