Все процессы в человеческом организме подчиняются базовым законам физики и химии. А это значит, что его основные характеристики и закономерности можно описать математическими формулами и уравнениями и создать компьютерную модель отдельных клеток, рецепторов, тканей, отдельно взятого органа, системы или даже всего организма в целом. Различные компании также моделируют "виртуальных пациентов", чтобы отследить состояние болезни, оценить влияние различных лекарственных препаратов на ее течение и на жизненно важные системы организма.
При создании новых лекарств математическое моделирование и компьютерная симуляция также обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами исследования. Они позволяют теоретически оценить и количественно измерить воздействие вещества на весь организм в целом, даже на те органы и системы, на которые оно напрямую не влияет, но которые могут быть затронуты косвенно из-за сложных и длительных взаимодействий, присущих биологическим системам. В некоторых случаях компьютерный эксперимент, основанный на реальных данных, позволяет предсказать побочные эффекты вещества, которые проявятся только в будущем, хотя и не отменяет этапа доклинических исследований кандидатных лекарств на экспериментальных животных и проведения цикла клинических исследований при его регистрации.
- Методы математического моделирования позволяют снизить риски на всех стадиях создания лекарства и показать наиболее вероятные пути продолжения исследований, - поясняет эксперт по моделированию подразделения M&S компании "Новартис" Борис Шульгин. - Мы начинаем работать на ранней стадии создания препарата, выясняя, как он будет вести себя в организме человека, с какими рецепторами клеток и белками взаимодействовать и где именно в длинной цепочке различных реакций наиболее перспективно произвести "коррекцию" биологии болезни. На этом этапе моделирование позволяет найти наилучшие мишени для лекарства.
После этапа доклинических испытаний на животных наступает очередь первой фазы клинических испытаний на здоровых добровольцах, цель которой - выяснить, какую дозу препарата можно дать человеку, чтобы она была безопасной.
- С одной стороны, она должна быть максимально большой, чтобы дала хороший эффект, с другой - не такой большой, чтобы проявились негативные последствия, - говорит эксперт по моделированию подразделения M&S компании "Новартис" Кирилл Песков. - Моделирование позволяет определить терапевтическое окно с максимальной точностью.
По этой технологии можно создавать различные модели. Биологические позволяют понять, как лекарство взаимодействует с мишенью, какова скорость его распространения в организме, скорость протекающих реакций и т.п. Фармакологические - подобрать наиболее эффективную дозу, оптимизировать фармакокинетику и фармакодинамику препарата, понять, как он себя поведет в человеке. Статистические модели дают возможность проверить эффективность препарата на больших количествах пациентов, а экономические - просчитать затраты, рентабельность, возможную прибыль и т.п. Моделирование также позволяет разработать дизайн клинических исследований. Все это позволяет существенно сократить затраты на создание нового препарата и его вывода на рынок.
В последние годы компании Большой Фармы начали развивать это направление не только за рубежом, но и в своих представительствах в России, поскольку наши исследователи традиционно сильны в математике, химии и биологии, а научные лаборатории обладают большим потенциалом. Нет сомнений в том, что за математическим моделированием в фармакологии - большое будущее.
Владимир Дорофеев, профессор, советник по научным вопросам AIPM:
- В процессе создания лекарственных средств математическое моделирование позволяет решать разнообразные задачи, круг которых расширяется по мере роста производительности вычислительной техники и увеличения возможностей программного обеспечения. На первых этапах разработки лекарственных средств большую роль играют подходы, позволяющие создать модель взаимодействия виртуальных молекул с различными элементами и системами человеческого организма, в первую очередь с рецепторами. Это особенно актуально для лекарственных средств биологического происхождения, молекулы которых имеют очень сложное пространственное строение.
Математическое моделирование, хотя и в меньшей степени, применяется и для описания процессов всасывания, распределения, метаболизма и выведения действующих веществ.
Стоимость таких программ на два порядка выше стоимости привычных для нас "офисов", но снижение затрат времени и трудовых ресурсов компенсирует ее с лихвой, если научно-исследовательская деятельность осуществляется на регулярной основе.Конечно, полностью отказаться от инструментальных исследований, от опытов на животных и исследований на людях даже в более отдаленной перспективе вряд ли получится, поскольку для естественно-научных изысканий критерием истины остается практика.
Елена Федорова, заведующая кафедрой информационных технологий и оптимизации производства лекарственных средств Санкт-Петербургской химико-фармацевтической академии, кандидат химических наук:
- Основная задача медицинской химии - создание соединений с заданной фармакологической активностью. Однако выраженную активность проявляет лишь небольшая часть веществ, прошедших экспериментальный скрининг. Уже синтезировано до 20 млн соединений, но дальнейшее применение нашли лишь около 10 тысяч. Чтобы не проверять активность еще 20 млн, ученые пытаются спрогнозировать, какие структуры будут заведомо иметь эффект, и лишь затем их синтезировать. В нашей академии студенты с 3-го курса осваивают методы компьютерного моделирования и конструирования лекарств, позволяющие предсказывать свойства соединений. На основании виртуального скрининга отбирают потенциальные структуры, которые затем синтезируются химиками, в том числе также студентами и аспирантами. Затем в лаборатории фармакологических исследований их тестируют на выявленные в результате моделирования виды потенциальной активности. Такие высокопроизводительные процедуры позволяют во много раз снизить затраты времени и денег на их разработку.
Виталий Пруцкий, глава по информационному обеспечению R&D "АстраЗенека" в России и Восточной Европе:
- Использование математического моделирования в фармацевтике и биомедицине связано с необходимостью принятия быстрых, объективных и взвешенных решений относительно дальнейшей разработки лекарств. Эти решения имеют конкретные финансовые последствия: каждый этап разработки потенциального препарата, начиная с выбора мишени для лекарства и заканчивая его регистрацией, повышает стоимость следующего шага. Следовательно, принятие неправильного решения влечет за собой огромные потенциальные потери, в то время как правильный выбор может стать причиной успеха. В отличие от инженерной деятельности мы имеем дело с более сложной живой системой. Поэтому очень важно понимать лимит возможностей методов моделирования: оно не заменяет и не должно заменять экспериментальную деятельность. Оно может лишь отфильтровывать очевидно ненужные вещи, а также направлять экспериментальную деятельность.