Виртуальная мышь с искусственным интеллектом тестирует наномедицину без использования живых животных

Когда опухоли удается прижиться в мозгу живого существа, она – с точки зрения опухоли – совершила что-то особенно умное. Он спрятался за одним из самых мощных барьеров, с помощью которых организм защищает свои самые важные органы: гематоэнцефалическим барьером, высокоизбирательным фильтром, пропускающим только определенные вещества. Однако большинство наркотиков в их число не входят. Поэтому серьезной задачей биомедицинских исследований является поиск эффективной химиотерапии опухолей головного мозга.

В последние годы исследователи нашли многообещающего союзника: нанотехнологии. Материалы наноразмера могут, образно говоря, взять на себя роль почтальонов, доставляющих активные ингредиенты по нужному адресу. Поскольку наночастицы невообразимо малы — примерно в 500 раз меньше диаметра среднего человеческого волоса — некоторым удается проходить сквозь защитные барьеры организма, не повреждая их. Если вернуться к примеру с опухолями головного мозга, то наночастицы могут транспортировать химиотерапевтические препараты через гематоэнцефалический барьер, где они смогут бороться с опухолью головного мозга.

В поисках подходящего наноматериала

Однако в зависимости от задачи, которую они должны выполнять, наночастицы должны обладать очень специфическими свойствами: в зависимости от их формы, материального состава и размера они распределяются по-разному в организме и накапливаются в разных органах. Поэтому важно выяснить, какие частицы лучше всего выполняют свою задачу и наносят как можно меньше ущерба. До сих пор исследователи в основном использовали модели мышей, чтобы ответить на эти вопросы: они вводили мышам различные типы наноматериалов, а затем исследовали, как они распределялись в организме мышей и какие побочные эффекты они вызывали. Однако эти исследования на животных не только сложны, трудоемки и дороги, но и поднимают этические проблемы. Недаром швейцарское законодательство о защите животных требует, чтобы количество проводимых экспериментов на животных было сведено к необходимому минимуму.

Мышь с искусственным интеллектом имеет решающее преимущество

Исследователь Empa Джименг Ву, аспирант лабораторий Empa «Наноматериалы в здравоохранении» и «Технологии и общество», разработал виртуальную мышь, которая использует искусственный интеллект для выполнения этих тестов гораздо более экономичным способом. Ву основал эту так называемую физиологически обоснованную фармакокинетическую модель (модель PBPK) на 18 исследованиях на мышах: данных экспериментов, проведенных различными исследовательскими группами на живых мышах. Она также интегрировала в свою модель статистический метод, байесовский анализ с моделированием Монте-Карло марковской цепью.

Результатом является виртуальная мышь, которой можно управлять - также виртуальными - наночастицами. Затем модель рассчитывает их распределение в теле мыши на основе таких свойств, как размер, покрытие и поверхностный заряд. По сравнению с традиционной моделью PBPK, которая калибруется по одному веществу за раз, мышь Ву с искусственным интеллектом имеет решающее преимущество: «Модель может адаптировать свои параметры к измеримым свойствам соответствующей наночастицы», — объясняет Джимэн Ву. Этой способностью инструмент обязан многомерной модели линейной регрессии, подходу машинного обучения.

Вклад в безопасность и экологичность конструкции

"Этот инструмент скрининга, поддерживаемый искусственным интеллектом, позволяет исследователям виртуально проверять, какой тип наночастиц лучше всего подходит для конкретной задачи, прежде чем они даже начнут производить эти частицы", - объясняет Джимэн Ву. Это не только экономит время, но и затраты, поскольку помогает принять решение до начала дорогостоящего клинического исследования.

«Таким образом, модель вносит вклад в концепцию безопасного и устойчивого дизайна (SSbD)», — добавляет Питер Вик, который руководит докторской диссертацией Джимэна Ву вместе со своим коллегой Берндом Новаком. Это связано с тем, что виртуальная мышь повышает безопасность новых материалов или методов лечения еще до их разработки. Однако он отмечает, что набор данных, используемый для обучения модели, по-прежнему очень ограничен: на данный момент найдено только 18 рецензируемых статей с достаточным качеством данных. «Во многих исследованиях свойства используемых наночастиц не описаны достаточно подробно», — отмечает он. Теперь задача состоит в том, чтобы снабдить виртуальную мышь дополнительными данными исследования и проверить их, чтобы еще больше повысить надежность прогнозов. «Наша долгосрочная цель — сократить процесс разработки наномедицинских материалов вплоть до их использования в качестве лекарства у пациентов, при этом в идеале имея возможность избежать испытаний на животных», — подчеркивает он.

Адаптация модели к заболеваниям человека

Будущие исследования Цзимен Ву также будут сосредоточены на так называемой «мостовой стратегии», позволяющей перенести принцип ее модели in silico на исследования на людях. С этой целью она планирует внедрить принципы виртуальной мыши в модель PBPK человека. В отличие от ее смоделированной мыши, которая рассчитывает только распределение наночастиц в печени, почках, легких и селезенке, человеческую модель in silico можно также использовать для изучения чувствительных органов-мишеней - например, для изучения степени, в которой определенные наночастицы могут пересекать гематоэнцефалический барьер.