Méně pokusů na zvířatech díky virtuální myši

Když se nádoru podaří usadit se v mozku živé bytosti, jedná – z pohledu nádoru – velmi šikovně. Skrývá se totiž za jednou z nejsilnějších bariér chránících důležitá orgány těla: hematoencefalickou bariérou, velmi selektivním filtrem, který propouští jen vybrané látky. Většina léčiv mezi ně nepatří. Pro medicínu je proto velkou výzvou najít účinnou chemoterapii proti mozkovým nádorům.

V posledních letech našel lékařský výzkum slibného spojence: nanotechnologii. Materiály v nanorozsahu mohou obrazně řečeno převzít roli poštovních doručovatelů, kteří doručí účinné látky na požadované místo. Protože jsou nanočástice neuvěřitelně malé – přibližně 500krát menší než průměr lidského vlasu – některým se podaří projít ochrannými bariérami těla, aniž by je poškodily. Nanočástice by tedy mohly přenášet chemoterapeutické látky přes hematoencefalickou bariéru do mozku, kde by mohly bojovat s mozkovým nádorem.

Hledání vhodného nanomateriálu Nicméně, nanočástice musí mít pro různé úkoly specifické vlastnosti: podle tvaru, složení materiálu a velikosti se různě distribuují v těle a hromadí se v různých orgánech. Je proto třeba zjistit, které částice nejlépe plní svou úlohu a přitom neškodí. Doposud vědci používali zvířecí modely, většinou myši, k nalézání odpovědí na tyto otázky. Podávali myším různé nanomateriály a následně zkoumali, jak se tyto rozložují v myším těle a jaké mají vedlejší účinky. Tyto studie na zvířatech jsou však nejen nákladné a časově náročné, ale i eticky problematické. Švýcarský zákon na ochranu zvířat proto požaduje minimalizaci počtu pokusů na zvířatech na nezbytné minimum.

AI-myš s rozhodující výhodou Empa výzkumnice Jimeng Wu, doktorandka v odděleních „Nanomateriály ve zdraví“ a „Technologie a společnost“, proto vyvinula virtuální myš, na níž lze tyto testy provádět mnohem rychleji pomocí AI. Pro tento tzv. fyziologicky založený farmakokinetický model (PBPK model) použila Wu 18 studií na myších jako základ, tedy data z pokusů různých výzkumných týmů na „skutečných“ myších. Kromě toho začlenila do svého modelu statistickou metodu, bayesovskou analýzu s Monte Carlo simulacemi řetězce Markov.

Výsledkem je virtuální myš, které lze – rovněž virtuálně – podat nanočástice. Následně model vypočítá jejich distribuci v těle myší na základě vlastností jako je velikost, povlak a povrchový náboj. Oproti tradičnímu PBPK modelu, který je vždy kalibrován pouze pro jednu jedinou látku, má Wuova AI-myš rozhodující výhodu: „Model může přizpůsobit své parametry měřitelným vlastnostem dané nanočástice,“ vysvětluje Jimeng Wu. Tato schopnost vychází z „multivariačního lineárního regresnímu modelu“, přístupu strojového učení.

Přínos pro „Bezpečný a udržitelný návrh“ „Tento AI-podporovaný screeningový nástroj umožňuje vědcům virtuálně testovat, který typ nanočástic je pro daný úkol nejvhodnější, ještě než je tyto částice vyrobí,“ pokračuje Jimeng Wu. To šetří nejen čas, ale i náklady, protože poskytuje podporu pro rozhodování před zahájením nákladné klinické studie.

„Model tak přispívá k pojmu „Bezpečný a udržitelný návrh“ (SSbD),“ dodává Peter Wick, který spolu s kolegou Berndem Nowackem doprovázel Jimeng Wu v jejím doktorandském studiu. Protože virtuální myš zvyšuje bezpečnost nových materiálů nebo terapií ještě před jejich vývojem. Přesto však Empa výzkumník poukazuje na to, že datová množina, se kterou je model dosud trénován, je stále velmi malá: Dosud bylo možné najít pouze 18 „Peer-Reviewed Papers“, jejichž datová kvalita byla dostatečná. „V mnoha studiích nejsou vlastnosti používaných nanočástic dostatečně popsány,“ poznamenává. Nyní je třeba virtuální myš naplnit dalšími studijními daty a ověřit, aby se spolehlivost předpovědí dále zvýšila. „Náš dlouhodobý cíl spočívá ve zkrácení procesu vývoje nanomedicínských materiálů až k jejich použití jako léků u pacientek nebo pacientů, a to s co možná největší eliminací pokusů na zvířatech,“ zdůrazňuje.

Model k využití pro lidský výzkum Budoucí výzkumná činnost Jimeng Wu se také zaměří na tzv. „bridging strategii“, aby bylo možno přenést princip jejího in silico modelu na lidský výzkum. Plánuje proto začlenit principy virtuální myši do lidského PBPK modelu. Na rozdíl od její AI-myši, která pouze vypočítává distribuci nanočástic v játrech, ledvinách, plicích a slezinně, by mohlo lidské in silico model také sloužit ke studiu citlivých cílových orgánů – například k prozkoumání, do jaké míry určité nanočástice mohou překonat hematoencefalickou bariéru. I zmíněný mozkový nádor by se za touto bariérou již necítil bezpečně – nanočástice by mu mohly v roli „poštovních doručovatelů“ doručit balíček s cílenou dávkou chemoterapie.

Mediální kontakt:
Mirjam Schwaller
Komunikace
Tel. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch

Poznámka redakce: Autorská práva k obrázku náleží príslušnému vydavateli.