Компьютерное моделирование — возможный «золотой стандарт» медицинских исследований будущего?

In silico. Медицина в компьютере

Компьютерное моделирование для испытаний используется во многих отраслях производства: архитектуре, машиностроении, авиации. Трудно представить запуск нового авиалайнера без предварительных испытаний на компьютерной модели.

В медицине от компьютерных симуляций долго отказывались — считалось, что искусственный интеллект не совершенен. С развитием нейронных сетей эти оправдания уходят на второй план. Врачи хотят знать, как пройдет операция или подействует тот или иной метод лечения еще до самой процедуры. Современные технологии дошли до того, что эту информацию можно спрогнозировать с помощью компьютерного моделирования.

In silico — это моделирование, симуляция и визуализация биологических процессов в компьютере. Термин ввели по аналогии с другими видами испытаний:

• In vitro — в условиях лаборатории.
• In vivo — на живых организмах.
• In silico — в компьютерной симуляции.

Создав модель органа и внедрив её в нейронную сеть можно получить информацию не только о влиянии конкретного препарата, но и зависимость конечного результата от других внешних и внутренних факторов. Это позволит улучшить персонализированную медицину: ускорить подбор, дозировку лекарств и разработать план лечения для отдельно взятого человека.

С развитием биоинформатики возможно моделирование реальных биологических процессов с использованием большего количества данных. Вычислительная среда позволяет создать модель человеческого тела с учетом особенностей анатомии и физиологии систем организма. Нейронные сети смогут найти закономерности в неструктурированных данных, получить ожидаемые результаты, спрогнозировать эффекты и риски. Например, еще до теста на людях мы сможем узнать, что препарат стимулирующий ЦНС, вызывает аритмию. При таком подходе клинические испытания получат максимальную эффективность при минимальных затратах.

Готовые платформы для исследований in silico

HumMod

HumMod — один из наиболее продвинутых симуляторов. Он представляет собой модель физиологических процессов человека, которая построена на взаимодействии молекул. Молекулы в HumMod объединяются в клетки, ткани и органы. Симулятор содержит более 1500 уравнений с 10 000 переменных, чтобы имитировать электролиты, биологические жидкости, гормоны, систему кровообращения, модель обмена веществ. HumMod претендует на звание самой сложной модели физиологии человека.

Так выглядит интерфейс программы. Внутри каждого блока — переменные, которые будут влиять на результат эксперимента 

На базе этой системы уже проверили:

• Как сердце влияет на снижение давления при хронической активации барорефлекса.

• Как меняется восприимчивость к соли при односторонней нефрэктомии.

• Какие водно-электролитные нарушения развиваются после транссфеноидальных операций на гипофизе.

Oncosimulator project

Другим серьезным примером таких платформ является Oncosimulator project от компании In Silico Oncology Group. Эту экспериментальную платформу разработали вместе с крупными исследовательскими центрами в Европе и Японии для оптимизации лечения рака. Онкосимулятор — это интегрированная программная система, имитирующая реакцию опухоли на химиопрепараты. Его работа направлена на помощь в подборе схем химиотерапии для отдельно взятых пациентов.

Интерфейс программы состоит из большого числа переменных, которые помогают подобрать персонализированную терапию под каждого пациента

Virtual Physiological Human

Похожий проект — Институт виртуальной физиологии человека (VHS). Платформа объединяет в единую структуру базы данных и компьютерные модели исследований из лабораторий по всему миру. Эта информация облегчает понимание интегративной функции клеток, органов и организма в целом.

На базе VHS создали инициативу СARDIOPROOF. В ней более 170 кардиологов объединились для создания новых персонализированных инструментов для лечения врожденных пороков сердца на компьютерных моделях. Они утверждают, что с помощью данного приложения можно сократить расходы на лечение каждого пациента на 15%.

Другая подобная инициатива — Остеопоротический проект VPH, цель которого — прогнозирование рисков переломов у больных со сниженной костной массой. 

Проект «Живое Сердце»
 

Компания Dassault Systemes в 2014 году подписала соглашение с FDA для создания обширной компьютерной имитационной модели человеческого сердца. Компания длительное время занималась системной инженерией и разработкой компьютерных моделей для промышленности. Генеральный директор компании объяснил, что хочет использовать опыт компании для разработки медицинских имитационных моделей.

Цель проекта — создать эффективную модель, которая будет точной виртуальной копией живого человеческого сердца. В будущем ее можно будет использовать для того, чтобы тестировать лекарства, устройства и обучать медиков выполнять различные манипуляции. На виртуальном сердце будут проводить эксперименты, чтобы получить реальные результаты.

Для разработки виртуальной модели собрали инженеров, биологов, кардиологов и хирургов. Инициатива привлекла более 80 спонсоров из разных областей исследований. В проекте зарегистрировано 130 организаций из 24 стран.

В 2015 году компания создала первый коммерческий 3D-симулятор человеческого сердца. В 2016 модель представила кровоток на работающем сердце, а в 2017 проект стал доступен в облаке. Через год на нем испытали препараты, способные вызвать аритмию. Сейчас на модели можно снимать и перемещать слои сердечных тканей, вносить изменения в структуру — например, ставить искусственные клапаны, стенты и водители ритма. Проект продолжает развиваться. 

Наглядный пример послойного кровоснабжения сердца

Заключение

Благодаря компьютерному моделированию, исследования можно проводить в разных местах одновременно, на нескольких выборках и при различных условиях. Используя компьютерные модели, можно делать исследования невозможные или опасные в реальности. 

На данном этапе, полностью смоделировать клинические испытания с помощью компьютерного моделирования невозможно. Но прогресс не стоит на месте. Способность нейронных сетей к машинному обучению даст компьютерному моделированию больше преимуществ по сравнению с классическими клиническими испытаниями in vivo. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) планирует, что скоро 50% испытаний будут проходить in silico. Без боли и без риска.