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

Клинические испытания лекарственных препаратов требуют огромных затрат денег и времени. До испытания на людях должно пройти исследование на лабораторных животных, анатомия и физиология которых сильно отличается от нашей. 

До недавних пор, рандомизированное закрытое плацебо-контролируемое исследование было приоритетным в медицине. Возможно ли заменить его чем-то более эффективным и менее затратным?

In silico. Медицина в компьютере

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

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

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

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»

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

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. 

Вам может быть интересно

Доктор Online

Будни врача

Для чего врачу личный бренд? Он помогает показать его экспертность, привлечь новых пациентов и поделиться открытиями с коллегами. Мы подготовили простую схему со всеми шагами, которые нужны для создания Вашего личного бренда в социальных сетях.

Читать статью

Роль пищевых волокон в поддержании иммунитета

Актуальное

Пища, богатая клетчаткой, считается полезной для здоровья человека, и наука открывает все больше дополнительных преимуществ ее потребления. В этом тексте разбираемся, какую роль в поддержании иммунитета играют пищевые волокна.

Читать статью

Разработан имплантируемый биоабсорбируемый кардиостимулятор

Актуальное

Новый имплантируемый кардиостимулятор способен поддерживать сердечный ритм на протяжении 3 недель, после чего полностью растворяется.

Читать статью

Выдающиеся соотечественники: Бурденко Николай Нилович

Актуальное

Николай Нилович Бурденко считается основоположником отечественной нейрохирургии, хотя его профессиональные интересы были намного шире.

Читать статью

Выдающиеся соотечественники: Илизаров

Будни врача

Один из российских врачей, прославивших отечественную медицину — Гавриил Илизаров.

Читать статью

CRISPR. Технология, которая может вылечить наследственные заболевания, справиться с малярией и победить ВИЧ

Актуальное

Ученые считают, что CRISPR — одна из самых перспективных технологий этого десятилетия. Она позволяет изменять гены любых живых существ: растений, животных и даже человека. Предполагается, что в будущем «отредактировать» ген будет стоить 75$.

Читать статью

TikTok как инструмент улучшения психического здоровья

Актуальное

Как психиатры используют TikTok для оказания психологической помощи своим подписчикам.

Читать статью

Диджитал-лекарства. Зачем датчики внутри препаратов и как они помогут врачам

Актуальное

На Западе набирает обороты такой тренд: на лекарства вешают микродатчики, которые контролируют, как пациент принимает разные препараты

Читать статью

Новый способ продлить срок службы артерио-венозных фистул

Актуальное

Баллонный катетер IN.PACT™ AV с лекарственным покрытием — новый способ продлить срок службы артерио-венозных фистул

Читать статью

Глюкометры будущего: 3 новых устройства, которые помогут диабетикам и их лечащим врачам

Актуальное

Среди этих глюкометров есть даже такой, который может измерять уровень глюкозы и кетоновых тел в слюне

Читать статью

5 приложений для мобильного телефона, которые помогут врачу в работе

Будни врача

Мы порылись в Google Play и Apple Store, чтобы найти полезные приложения для медиков. Получилась подборка из 5 программ

Читать статью

Ключевые методы лечения аллергии во время беременности в современной медицине

Актуальное

Беременность может осложняться впервые возникшим или уже существующим аллергическим заболеванием. С учетом ограниченных возможностей использования лечебных методов, эта группа пациентов вызывает особое беспокойство врачей.

Читать статью

Комментарии: 0

или

чтобы оставить комментарий.

Мы собираем и обрабатываем пользовательские данные, в том числе файлы cookies для оптимизации сайта и подбора для Вас релевантного контента. Нажав «Принять» или оставаясь на сайте, Вы разрешаете их использование. Подробнее: Политика конфиденциальности.

Принять