Sanal Fare Sayesinde Daha Az Hayvan Deneyi

Bir tümor, bir canlı organizmanın beynine yerleşmeyi başardıysa – tümor açısından değerlendirildiğinde – oldukça akıllıca davranmıştır. Çünkü vücudun en önemli organlarını koruyabilecek en güçlü bariyerlerden biri olan kan-beyin bariyerinin arkasına saklanmıştır. Bu, sadece belirli maddelerin geçmesine izin veren çok seçici bir filtredir. Çoğu ilaç bu filtreyi geçemez. Bu yüzden, tıpta beyin tümörlerine etkili bir kemoterapi bulmak büyük bir meydan okumadır.

Son yıllarda, tıbbi araştırmalar umut verici bir destekçi bulmuştur: nanoteknoloji. Nanoseviye materyaller, bir postacının önemli bir teslimat görevini üstlenmesi gibi, etken maddeleri istenen adrese teslim edebilir. Nanopartiküller, inanılmaz derecede küçük olduklarından – insan saçının çapından yaklaşık 500 kat daha küçüktürler – bazıları, vücudun koruyucu bariyerlerini zarar vermeden geçebilir. Beyin tümörleri örneğinde olduğu gibi, nanopartiküller kemoterapötik maddeleri kan-beyin bariyerinden beyne taşıyabilir, böylece bu maddeler beyin tümörleriyle savaşabilir.

Uygun Nanomalzemenin Araştırılması

Fakat nanopartiküller, gerçekleştirecekleri göreve bağlı olarak belirli özelliklere sahip olmalıdır: Şekil, malzeme bileşimi ve boyuta göre vücutta farklı şekillerde yayılır ve farklı organlarda birikirler. Bu nedenle, hangi parçacıkların görevlerini en iyi şekilde yerine getirdiğini ve minimum zararla sonuçlandığını bulmak gereklidir. Şimdiye kadar araştırmacılar, bu soruları ele almak için hayvan modelleri, genellikle fareler kullandılar: Farklı nanomalzemeler farelere enjekte edildi ve daha sonra bu malzemelerin fare vücudunda nasıl dağıldığı ve hangi yan etkilere neden oldukları araştırıldı. Ancak bu hayvan çalışmaları sadece zahmetli, uzun ve pahalı olmakla kalmadı, aynı zamanda etik açıdan da sorunlu hale geldi. İsviçre Hayvan Hakları Kanunu boşuna gerekli minimum seviyeye hayvan deneylerinin sayısının azaltılmasını talep etmiyor.

Karar Avantajıyla YZ-Fare

Empa araştırmacısı Jimeng Wu, 'Nanomaterials in Health' ve 'Technology and Society' departmanlarında doktora öğrencisi, bu nedenle bu testleri yapay zeka yardımıyla daha zaman tasarruflu bir şekilde gerçekleştirebilen sanal bir fare geliştirdi. Bu sözde fizyolojik tabanlı farmakokinetik modeli (PBPK Modeli) için Wu, 18 fare çalışmasını temel aldı. Yani, 'gerçek' fareler üzerinde çeşitli araştırma ekiplerinin denemelerinin verilerini kullandı. Ayrıca, modeline Markov zinciri Monte Carlo simülasyonlarıyla Bayesyen analiz olarak bilinen bir istatistiksel yöntem entegre etti.

Sonuç, 'sanal' nanopartikülleri uygulayabileceğiniz sanal bir fare oldu. Model, boyut, kaplama ve yüzey yükü gibi özelliklere göre partiküllerin fare bedeninde nasıl dağıldığını hesaplıyor. Bir PBPK modelinin genellikle sadece tek bir madde için kalibre edilmesinden farklı olarak, Wu'nun YZ-faresi kritik bir avantaja sahip: 'Model, parametrelerini her bir nanopartikülün ölçülebilir özelliklerine uygun hale getirebiliyor.' diye açıklıyor Jimeng Wu. Bu yetenek, araçlara çok değişkenli doğrusal regresyon modeli, makine öğreniminin bir yaklaşımıyla kazandırılmıştır.

'Tasarımı Güvenli ve Sürdürülebilir' Katkısı

Jimeng Wu, 'Bu YZ destekli tarama aracı, araştırmacıların hangi tür nanopartiküllerin belirli bir görev için en uygun olduğunu sanal olarak test etmelerini sağlıyor,' diye ekliyor. Bu, sadece zaman kazandırmakla kalmaz, aynı zamanda pahalı klinik denemeler başlamadan önce karar verme desteği sunarak maliyetleri de azaltır.

'Bu model, 'Tasarımı Güvenli ve Sürdürülebilir' (SSbD) konsepte katkı sağlar' diyor, Jimeng Wu'nun doktorasında Bernd Nowack ile birlikte rehberlik eden Peter Wick. Sanal fare, materyallerin veya tedavilerin güvenliğini daha gelişmeden önce artırıyor. Ancak, Empa araştırmacısı, modelin şu anda eğitildiği veri setinin çok küçük olduğunu iddia ediyor: Şimdiye kadar sadece 18 'Hakemli Makale' mevcut olup, veri kalitesi yeterliydi. 'Birçok çalışmada, kullanılan nanopartiküllerin özellikleri yeterince açıklanmıyor.' diye belirtiyor. Sanal fareyi, tahminlerin güvenilirliğini daha da artırmak için ek çalışma verileriyle beslemek ve doğrulamak gerekiyor. 'Uzak hedefimiz, nanoparçacıklar gelişim sürecini, bir hastada ilaç olarak kullanılabilir forma kısaltmak ve mümkün olduğu kadar hayvan deneylerinden kaçınmaktır,' diye vurguluyor.

Modelin İnsana Araştırmalarında Kullanımı Sağlanmalı

Jimeng Wu'nun gelecekteki araştırma çalışması ayrıca 'köprü stratejisi' olarak adlandırılan bir yaklaşımla insan araştırmalarına yönelik kendi in silico modelinin prensiplerini taşımaya odaklanacak. Bunun için, sanal fare prensiplerini insan PBPK modeli ile bütünleştirmeyi planlıyor. YZ-faresinin sadece nanopartiküllerin karaciğer, böbrekler, akciğer ve dalaktaki dağılımını hesapladığının aksine, insan in silico modeli hassas hedef organları araştırmak için de kullanılabilir – örneğin, belirli nanopartiküllerin kan-beyin bariyerini ne kadar aşabileceğini araştırmak için. Başlangıçta bahsedilen beyin tümörü de bu bariyerin arkasında artık güvende hissetmeyebilir – nanopartiküller, onlara bir 'posta dağıtıcısı' rolünde dikkatli bir kemoterapi dozu taşıyan bir paket teslim edebilir.

Editör notu: Görsel hakları ilgili yayıncıya aittir.