Veiligheid is absoluut noodzakelijk voordat nieuwe geneesmiddelen aan patiënten worden gegeven. Daarom worden geneesmiddelen jaarlijks bij miljoenen dieren wereldwijd getest om mogelijke risico's en bijwerkingen te detecteren. Maar onderzoek toont aan dat computersimulaties van het hart de ontwikkeling van geneesmiddelen voor patiënten kunnen verbeteren en de noodzaak voor dierproeven verminderen.
Dierproeven zijn tot op heden de meest nauwkeurige en betrouwbare strategie geweest voor het controleren van nieuwe medicijnen, maar het is duur, tijdrovend en - voor sommigen - zeer controversieel.
Het is ook mogelijk dat sommige bijwerkingen worden gemist vanwege de verschillen tussen dieren en mensen. Geneesmiddelenonderzoek is om deze reden bijzonder problematisch en het is duidelijk dat nieuwe testmethoden nodig zijn om de ontwikkeling van betere en veiligere geneesmiddelen mogelijk te maken.
Mensen en andere dieren
Een verscheidenheid aan diersoorten - waaronder ratten, muizen, konijnen, cavia's, honden en varkens - worden elk jaar bij de ontwikkeling van geneesmiddelen gebruikt om de mogelijke bijwerkingen voor het hart bij mensen te voorspellen.
Maar terwijl de onderliggende biologie vergelijkbaar is, worden kleine verschillen tussen dierlijke en menselijke cellen versterkt wanneer een patiënt een medicijn neemt. Het betekent dat het voorspellen van het risico voor patiënten beperkt is tot een nauwkeurigheid van ongeveer (75 tot 85 procent), blijkt uit onderzoek, en het leidt ook tot het uit de markt nemen van geneesmiddelen vanwege problemen met de cardiovasculaire veiligheid.
Het is nu echter mogelijk om een nieuw hartmedicijn te testen bij een 'virtuele mens'. Ons recente onderzoek aan het Department of Computer Science van de Universiteit van Oxford toont aan dat computermodellen die menselijke hartcellen vertegenwoordigen een hogere nauwkeurigheid (89-96 procent) vertonen dan diermodellen bij het voorspellen van een nadelig medicijneffect, zoals gevaarlijke aritmieën - waarbij de hartslag onregelmatig wordt en kan stoppen.
Het laat zien dat menselijke computermodellen extra voordelen zouden opleveren door het gebruik van dierexperimenten in vroege stadia van het testen van geneesmiddelen te verminderen; verbetering van de veiligheid van geneesmiddelen, waardoor het risico voor patiënten tijdens klinische proeven wordt verlaagd; en de ontwikkeling van geneesmiddelen versnellen voor patiënten die dringend behoefte hebben aan gezondheidszorg.
Computermodellen van het hart
De Britse bioloog Denis Noble begon in 1960 voor het eerst te experimenteren met computermodellen in Oxford. Sindsdien is de technologie geëvolueerd en klaar om te worden geïntegreerd in industriële en klinische omgevingen.
Dankzij menselijke experimentele gegevens zijn menselijke computermodellen nu beschikbaar op verschillende schalen, van afzonderlijke cellen tot hele harten, en ze kunnen worden gebruikt om het gedrag van het menselijk hart in gezonde of zieke omstandigheden en onder medicijnwerking te onderzoeken.
In plaats van een eenduidige methode, zijn er ook nieuwe populatiegebaseerde benaderingen. Iedereen is anders, en sommige medicijnen kunnen alleen schadelijke bijwerkingen hebben voor bepaalde delen van de bevolking, zoals mensen met een specifieke genetische mutatie of ziekte.
Het onderzoek van het Computational Cardiovascular Science-team heeft aangetoond dat menselijke computermodellen van hartcellen nauwkeuriger zijn dan dierproeven bij het voorspellen van de door geneesmiddelen veroorzaakte bijwerkingen voor het hart bij mensen. Dit onderzoek won een internationale prijs vanwege het potentieel om dierproeven in laboratoria te vervangen.
We hebben de technologie in software opgenomen, genaamd Virtual Assay, die gemakkelijk door niet-experts kan worden gebruikt bij het modelleren en simuleren.
De software biedt een eenvoudige gebruikersinterface voor Microsoft Windows waarin een controlepopulatie van gezonde hartcellen met specifieke eigenschappen, gebaseerd op menselijke gegevens, kan worden gebouwd. Het kan vervolgens worden gebruikt om computer-gesimuleerde - ook bekend als in silico - medicijnonderzoeken uit te voeren, voordat de resultaten worden geanalyseerd. Het hele proces is erg snel: het kost minder dan vijf minuten om met een moderne laptop één medicijn te testen in een populatie van 100 menselijke hartcelmodellen.
Verschillende farmaceutische bedrijven gebruiken en evalueren al Virtual Assay, dat beschikbaar is met een gratis academische licentie en kan worden gebruikt door artsen en farmaceutische bedrijven.
Dit onderzoek maakt deel uit van een bredere stap in de richting van de integratie van computermodellen voor het testen van de veiligheid van geneesmiddelen, waaronder het Comprehensive In vitro Proarrhythmia Assay-initiatief, gepromoot door de Amerikaanse Food and Drug Administration en andere organisaties.
Grenzen van informatica verleggen
Hoewel simulaties van hartcellen binnen enkele minuten kunnen worden uitgevoerd, vereisen 3D-computermodellen van het hele hart nog steeds een enorme hoeveelheid rekenkracht. Eén hartslag kan bijvoorbeeld ongeveer drie uur duren in een supercomputer met bijna 1.000 processors.
We werken nu aan 3D-simulaties van het hart om de cardiale veiligheid en werkzaamheid van geneesmiddelen op grotere schaal te onderzoeken. Het omvat een verkenning van zieke aandoeningen, zoals acute ischemie - waarbij de bloedstroom in een van de slagaders rond het hart wordt belemmerd. Dit onderzoek maakt ook deel uit van het Europese CompBioMed-project om computermodellen te bouwen voor het hele menselijke lichaam: een virtueel mens.
Door de academische wereld, de farmaceutische industrie en regelgevende instanties samen te brengen, hopen we de invoering van op mensen gebaseerde silico-methoden voor de evaluatie van de veiligheid en werkzaamheid van hartgeneesmiddelen te versnellen.
Computersimulaties zijn een sneller, goedkoper en effectief alternatief voor dierproeven - en ze zullen binnenkort een belangrijke rol spelen in de vroege stadia van de ontwikkeling van geneesmiddelen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Elisa Passini, Senior Research Associate, Universiteit van Oxford
Blanca Rodriguez, Wellcome Trust Senior Research Fellow in Basic Biomedical Sciences, hoogleraar Computational Medicine, hoofdonderzoeker bij de BHF CRE, University of Oxford
Patricia Benito, Universiteit van Oxford
