La sicurezza è indispensabile prima che vengano somministrati nuovi farmaci ai pazienti, motivo per cui ogni anno vengono testati farmaci su milioni di animali in tutto il mondo per rilevare possibili rischi ed effetti collaterali. Ma la ricerca mostra che le simulazioni al computer del cuore hanno il potenziale per migliorare lo sviluppo di farmaci per i pazienti e ridurre la necessità di test sugli animali.
Fino ad oggi, i test sugli animali sono stati la strategia più accurata e affidabile per il controllo di nuovi farmaci, ma sono costosi, richiedono molto tempo e - per alcuni - altamente controversi.
Esiste anche il potenziale per la perdita di alcuni effetti collaterali a causa delle differenze tra animali e umani. Le prove farmacologiche sono particolarmente problematiche per questo motivo ed è chiaro che sono necessari nuovi metodi di prova per consentire lo sviluppo di medicinali migliori e più sicuri.
Umani e altri animali
Una varietà di specie di animali - tra cui ratti, topi, conigli, cavie, cani e maiali - viene utilizzata ogni anno nello sviluppo di farmaci per prevedere i possibili effetti collaterali per il cuore nell'uomo.
Ma mentre la biologia sottostante è simile, le piccole differenze tra le cellule animali e quelle umane vengono amplificate quando un paziente assume un farmaco. Significa che la previsione del rischio per i pazienti è limitata a un tasso di accuratezza di circa (dal 75 all'85 percento), la ricerca mostra, e porta anche al ritiro dei farmaci dal mercato a causa di problemi di sicurezza cardiovascolare.
Tuttavia, ora è possibile testare un nuovo farmaco per il cuore in un "essere umano virtuale". La nostra recente ricerca presso il Dipartimento di Informatica dell'Università di Oxford dimostra che i modelli computazionali che rappresentano le cellule del cuore umano mostrano una maggiore precisione (89-96 percento) rispetto ai modelli animali nel prevedere un effetto avverso da farmaco, come le aritmie pericolose - in cui il battito cardiaco diventa irregolare e può arrestarsi.
Mostra che i modelli computazionali umani porterebbero ulteriori vantaggi riducendo l'uso di esperimenti su animali nelle prime fasi del test antidroga; migliorare la sicurezza dei farmaci, riducendo così il rischio per i pazienti durante gli studi clinici; e accelerare lo sviluppo di medicinali per i pazienti che necessitano urgentemente di assistenza sanitaria.
Modelli informatici del cuore
Il biologo britannico Denis Noble ha iniziato a sperimentare modelli computerizzati del cuore a Oxford nel 1960. Da allora, la tecnologia si è evoluta ed è pronta per essere integrata in contesti industriali e clinici.
Grazie ai dati sperimentali umani, i modelli di computer umani sono ora disponibili a diverse scale, dalle singole cellule a interi cuori, e possono essere utilizzati per esplorare il comportamento del cuore umano in condizioni di salute o malattia e sotto l'effetto di droghe.
Invece di un metodo unico per tutti, ci sono anche nuovi approcci basati sulla popolazione. Ognuno è diverso e alcuni farmaci possono avere effetti collaterali dannosi solo per alcune parti della popolazione, come le persone con una specifica mutazione o malattia genetica.
Lo studio del team di scienze cardiovascolari computazionali ha dimostrato che i modelli di computer umani delle cellule cardiache sono più accurati degli esperimenti sugli animali nel predire gli effetti collaterali indotti da farmaci per il cuore nell'uomo. Questa ricerca ha vinto un premio internazionale a causa del suo potenziale per sostituire i test sugli animali nei laboratori.
Abbiamo incorporato la tecnologia nel software, chiamato Virtual Assay, che è facile da usare per i non esperti nella modellazione e nelle simulazioni.
Il software offre una semplice interfaccia utente per Microsoft Windows in cui è possibile creare una popolazione di controllo di cellule cardiache sane con proprietà specifiche, basate su dati umani. Può quindi essere utilizzato per eseguire prove simulate al computer - note come in silico - prima di analizzare i risultati. L'intero processo è molto rapido: bastano meno di cinque minuti usando un moderno laptop per testare un farmaco su una popolazione di 100 modelli di cellule cardiache umane.
Diverse aziende farmaceutiche stanno già utilizzando e valutando il dosaggio virtuale, che è disponibile con una licenza accademica gratuita e può essere utilizzato da medici e aziende farmaceutiche.
Questa ricerca fa parte di una più ampia mossa verso l'integrazione di modelli computerizzati per i test di sicurezza dei farmaci che include l'iniziativa di analisi della proaritmia in vitro completa, promossa dalla Food and Drug Administration statunitense e da altre organizzazioni.
Spingere i confini dell'informatica
Mentre le simulazioni delle cellule cardiache possono essere eseguite in pochi minuti, i modelli di computer 3D di tutto il cuore richiedono ancora un'enorme quantità di potenza computazionale. Un battito cardiaco, ad esempio, può richiedere circa tre ore in un supercomputer con quasi 1.000 processori.
Ora stiamo lavorando a simulazioni 3D del cuore per esplorare la sicurezza e l'efficacia cardiaca dei farmaci su larga scala. Include un'esplorazione di condizioni patologiche, come l'ischemia acuta, in cui il flusso sanguigno in una delle arterie attorno al cuore è ostruito. Questa ricerca fa anche parte del progetto europeo CompBioMed per costruire modelli di computer per l'intero corpo umano: un essere umano virtuale.
Riunendo il mondo accademico, l'industria farmaceutica e le agenzie di regolamentazione speriamo di accelerare la diffusione delle metodologie basate sull'uomo in silico per la valutazione della sicurezza e dell'efficacia dei farmaci cardiaci.
Le simulazioni al computer sono un'alternativa più rapida, economica ed efficace agli esperimenti sugli animali e presto svolgeranno un ruolo importante nelle prime fasi dello sviluppo dei farmaci.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Elisa Passini, Senior Research Associate, Università di Oxford
Blanca Rodriguez, ricercatrice senior di Wellcome Trust in Scienze biomediche di base, professore di medicina computazionale, ricercatore principale presso la BHF CRE, Università di Oxford
Patricia Benito, Università di Oxford
