新しい薬が患者に投与される前に安全性が不可欠です。そのため、毎年世界中の何百万もの動物で薬物が検査され、起こりうるリスクと副作用を検出しています。 しかし、研究によると、心臓のコンピューターシミュレーションは、患者の医薬品開発を改善し、動物実験の必要性を減らす可能性を秘めています。
これまで、動物実験は新薬をチェックするための最も正確で信頼できる戦略でしたが、費用がかかり、時間がかかり、一部では非常に物議を醸しています。
動物と人間の違いにより、いくつかの副作用を見逃す可能性もあります。 薬物試験はこの理由で特に問題があり、より良い安全な医薬品の開発を可能にするために新しい試験方法が必要であることは明らかです。
人間と他の動物
ラット、マウス、ウサギ、モルモット、イヌ、ブタなど、さまざまな動物の種が毎年薬物開発に使用され、人間の心臓に起こりうる副作用を予測しています。
しかし、基礎となる生物学は類似していますが、患者が薬物を服用すると、動物細胞とヒト細胞のわずかな違いが増幅されます。 これは、患者へのリスクの予測が約75〜85パーセントの精度に制限されていることを意味し、研究が示しており、心血管の安全性の問題により市場からの薬物撤退にもつながります。
しかし、現在では「仮想人間」で新しい心臓薬をテストすることが可能です。オックスフォード大学のコンピュータサイエンス学部での最近の研究では、人間の心臓細胞を表す計算モデルは動物モデルよりも高い精度（89-96％）危険な不整脈など、心臓の拍動が不規則になり停止する可能性のある薬物の副作用を予測する場合。
それは、薬物試験の初期段階で動物実験の使用を減らすことにより、人間の計算モデルがさらなる利点をもたらすことを示しています。 薬剤の安全性を改善し、それにより臨床試験中の患者のリスクを低下させます。 そして、ヘルスケアが緊急に必要な患者のための医薬品の開発をスピードアップします。
心臓のコンピューターモデル
イギリスの生物学者デニス・ノーブルは、1960年にオックスフォードで最初に心臓のコンピューターモデルの実験を開始しました。それ以来、テクノロジーは進化し、産業および臨床環境に統合する準備が整いました。
人間の実験データのおかげで、人間のコンピューターモデルは現在、単一の細胞から心臓全体までさまざまなスケールで利用可能であり、それらを使用して、健康な状態または病気の状態、および薬物作用下での人間の心臓の挙動を調べることができます。
1つのモデルにすべてを合わせる方法の代わりに、新しい母集団ベースのアプローチもあります。 誰もが異なり、一部の薬物は、特定の遺伝子変異や疾患を持つ人々など、人口の特定の部分にのみ有害な副作用をもたらす可能性があります。
Computational Cardiovascular Scienceチームによる研究は、ヒトの心臓に対する薬物誘発性副作用の予測において、心臓細胞のヒューマンコンピューターモデルが動物実験よりも正確であることを実証しました。 この研究は、実験室での動物実験に取って代わる可能性があるため、国際的な賞を受賞しました。
バーチャルアッセイと呼ばれるソフトウェアにこの技術を組み込みました。これは、専門家以外でもモデリングやシミュレーションで簡単に使用できます。
このソフトウェアは、Microsoft Windows用のシンプルなユーザーインターフェイスを提供します。このインターフェイスでは、人間のデータに基づいて特定のプロパティを持つ健康な心臓細胞の制御集団を構築できます。 その後、結果を分析する前に、コンピューターでシミュレートされた（in silicoとして知られている）薬物試験を実行するために使用できます。 全体のプロセスは非常に迅速です。最新のラップトップを使用して、100個のヒト心臓細胞モデルの1つの薬物をテストするのに5分未満かかります。
いくつかの製薬会社はすでに無料のアカデミックライセンスで利用でき、臨床医や製薬会社が使用できるVirtual Assayを使用および評価しています。
この研究は、米国食品医薬品局およびその他の組織によって推進されている包括的in vitro催不整脈アッセイイニシアチブを含む、薬物安全性試験のためのコンピューターモデルの統合に向けた幅広い動きの一部です。
コンピューターサイエンスの限界を押し広げる
心臓細胞のシミュレーションは数分で実行できますが、心臓全体の3Dコンピューターモデルには依然として膨大な計算能力が必要です。 たとえば、1つのハートビートは、約1, 000プロセッサのスーパーコンピューターで約3時間かかります。
現在、心臓の3Dシミュレーションに取り組んでおり、薬物の心臓の安全性と有効性を大規模に調査しています。 これには、急性虚血などの病気の状態の調査が含まれます。心臓の周りの動脈の1つの血流が妨げられます。 この研究は、人体全体、つまり仮想人間のコンピューターモデルを構築する欧州のCompBioMedプロジェクトの一部でもあります。
学界、製薬業界、規制当局を結び付けることで、心臓薬の安全性と有効性を評価するための人間ベースのインシリコ手法の採用を加速したいと考えています。
コンピューターシミュレーションは、動物実験に代わるより高速で安価な効果的な代替手段であり、医薬品開発の初期段階ですぐに重要な役割を果たすでしょう。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
オックスフォード大学上級研究員、エリサ・パッシーニ
ブランカ・ロドリゲス、ウェルカムトラストバイオメディカルサイエンス基礎上級研究員、計算医学教授、オックスフォード大学BHF CREの主任研究員
オックスフォード大学パトリシア・ベニート
