Mai puține experimente pe animale datorită șoarecelui virtual

Dacă o tumoare a reușit să pătrundă în creierul unei viețuitoare, a reușit ceva deosebit de isteț din perspectiva tumoarei. S-a ascuns în spatele uneia dintre cele mai puternice bariere cu care organismul își protejează organele importante: bariera hematoencefalică, un filtru foarte selectiv care permite trecerea doar a anumitor substanțe. Majoritatea medicamentelor nu fac parte dintre acestea. Din acest motiv, pentru medicină este o provocare mare să găsească o chimioterapie eficientă împotriva tumorilor cerebrale.

În ultimii ani, cercetarea medicală și-a găsit un aliat promițător: nanotehnologia. Materialele la scară nano pot îndeplini, metaforic vorbind, rolul poștașilor care livrează substanțele active la adresa dorită. Datorită faptului că nanoparticulele sunt incredibil de mici – aproximativ de 500 de ori mai mici decât diametrul unui fir de păr uman – unele dintre ele reușesc să treacă de barierele de protecție ale corpului fără a le afecta. Revenind la exemplul tumoarului cerebral: nanoparticulele ar putea transporta substanțele chimioterapice prin bariera hematoencefalică în creier, unde acestea ar putea combate tumoarea cerebrală.

Căutarea nanomaterialului potrivit
Totuși, nanoparticulele trebuie să aibă anumite caracteristici în funcție de sarcina pe care trebuie să o îndeplinească: în funcție de formă, compoziția materialului și dimensiune, ele se distribuie diferit în corp și se acumulează în alte organe. De aceea, trebuie să se descopere care particule își îndeplinesc sarcina cât mai bine posibil fără a cauza daune. Până acum, cercetătorii au folosit modele animale, de obicei șoareci, pentru a răspunde la aceste întrebări: au administrat șoarecilor diferite nanomateriale și au studiat apoi cum acestea s-au distribuit în corpul șoarecilor și ce efecte secundare au avut.

Șoarecele IA cu un avantaj decisiv
Cercetătoarea Jimeng Wu de la Empa, doctorandă în departamentele «Nanomaterials in Health» și «Technology and Society», a dezvoltat un șoarece virtual pentru a efectua aceste teste mult mai economic din punct de vedere al timpului, cu ajutorul IA. Pentru acest model farmacocinetic fiziologic bazat pe model (PBPK-model), Wu a folosit 18 studii pe șoareci ca bază, adică date din experimente diferite efectuate de echipe de cercetare pe șoarecii reali. De asemenea, a integrat un procedeu statistic, analiza bayesiană cu simulări Monte Carlo de tip Markov chain, în modelul său.

Rezultatul este un șoarece virtual căruia i se pot administra, de asemenea, nanoparticule virtuale. Modelul calculează apoi distribuția acestora în corpul șoarecelui pe baza caracteristicilor precum dimensiunea, stratul protector și sarcina de suprafață. Față de un model PBPK tradițional, care este calibrat pentru o singură substanță, șoarecele IA al lui Wu are un avantaj decisiv: «Modelul își poate adapta parametrii la caracteristicile măsurabile ale fiecărei nanoparticule», explică Jimeng Wu. Această capacitate se datorează modelului de regresie liniară multivariată, o abordare a învățării automate.

Contribuția la «Sigur și sustenabil prin design»
«Acest instrument de screening susținut de IA permite cercetătorilor să testeze virtual ce tip de nanoparticule sunt cele mai potrivite pentru o anumită sarcină, înainte de a produce efectiv aceste particule», continuă Jimeng Wu. Aceasta economisește nu doar timp, ci și costuri, deoarece oferă un ajutor în luarea deciziilor, înainte ca un studiu clinic costisitor să fie demarat.

Modelul pentru cercetarea umană
Activitatea de cercetare viitoare a lui Jimeng Wu se va concentra, de asemenea, pe o strategie de «pod» pentru a transfera principiul modelului său in silico în cercetarea umană. De aceea, ea intenționează să integreze principiile șoarecelui virtual într-un model PBPK uman. Spre deosebire de șoarecele său IA, care doar calculează distribuția nanoparticulelor în ficat, rinichi, plămâni și splină, un model in silico uman ar putea fi folosit și pentru a investiga organele țintă sensibile.

Notă editorială: Drepturile asupra imaginilor aparțin editorului respectiv.