Menos experimentos con animales gracias al ratón virtual
Modelo de ratón in silico asistido por IA para investigación biomédica
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La inteligencia artificial (IA) puede salvar vidas. Al menos, la de los ratones. Investigadores del Empa han desarrollado un modelo informático del cuerpo de un ratón basado en IA que utiliza el aprendizaje automático para predecir cómo se distribuyen los distintos nanomateriales en el organismo del ratón. De acuerdo con el principio de "seguridad y sostenibilidad desde el diseño", el modelo no sólo servirá de ayuda para la toma de decisiones en el desarrollo de fármacos, sino que también reducirá los ensayos con animales.
Cuando un tumor consigue anidar en el cerebro de un ser vivo, ha hecho -desde la perspectiva del tumor- algo especialmente inteligente. Se ha escondido tras una de las barreras más poderosas con las que el cuerpo protege sus órganos más importantes: la barrera hematoencefálica, un filtro altamente selectivo que sólo permite el paso de determinadas sustancias. Sin embargo, la mayoría de los fármacos no se encuentran entre ellas. Por ello, encontrar una quimioterapia eficaz para los tumores cerebrales constituye un gran reto para la investigación biomédica.
En los últimos años, los investigadores han encontrado un aliado prometedor: la nanotecnología. Los materiales a nanoescala pueden, en sentido figurado, asumir el papel de carteros que entregan principios activos en la dirección correcta. Como las nanopartículas son inimaginablemente pequeñas -unas 500 veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano medio-, algunas consiguen atravesar las barreras protectoras del organismo sin dañarlo. Por seguir con el ejemplo de los tumores cerebrales, las nanopartículas podrían transportar fármacos quimioterapéuticos a través de la barrera hematoencefálica, donde podrían combatir el tumor cerebral.
En busca del nanomaterial adecuado
Sin embargo, en función de la tarea que deban desempeñar, las nanopartículas deben tener propiedades muy específicas: Según su forma, composición material y tamaño, se distribuyen de forma muy diferente en el organismo y se acumulan en distintos órganos. Por eso es importante averiguar qué partículas realizan mejor su tarea y causan el menor daño posible. Hasta ahora, los investigadores han utilizado principalmente modelos de ratón para responder a estas preguntas: Administraban diversos tipos de nanomateriales a los ratones y luego examinaban cómo se distribuían en su organismo y qué efectos secundarios causaban. Sin embargo, estos estudios con animales no sólo son complejos, largos y caros, sino que también plantean problemas éticos. No en vano, la legislación suiza en materia de bienestar animal exige que el número de experimentos con animales se reduzca al mínimo necesario.
Un ratón de inteligencia artificial con una ventaja decisiva
Por eso, el investigador Jimeng Wu, estudiante de doctorado en los laboratorios de "Nanomateriales en la Salud" y "Tecnología y Sociedad" del Empa, ha desarrollado un ratón virtual que utiliza la IA para realizar estas pruebas de forma mucho más eficiente en términos de tiempo. Wu basó este llamado modelo farmacocinético de base fisiológica (modelo PBPK) en 18 estudios de ratones: datos de experimentos realizados por varios equipos de investigación en ratones vivos. También integró en su modelo un método estadístico, el análisis bayesiano con simulaciones de Monte Carlo en cadena de Markov.
El resultado es un ratón virtual al que se le pueden administrar nanopartículas, también virtuales. A continuación, el modelo calcula su distribución en el cuerpo del ratón en función de propiedades como el tamaño, el recubrimiento y la carga superficial. En comparación con un modelo PBPK tradicional, que se calibra para una sola sustancia a la vez, el ratón AI de Wu tiene una ventaja decisiva: "El modelo puede adaptar sus parámetros a las propiedades medibles de la nanopartícula respectiva", explica Jimeng Wu. La herramienta debe esta capacidad al modelo de regresión lineal multivariante, un enfoque de aprendizaje automático.
Contribución al diseño seguro y sostenible
Esta herramienta de cribado asistida por inteligencia artificial permite a los investigadores probar virtualmente qué tipo de nanopartículas son las más adecuadas para una tarea específica antes incluso de fabricarlas", explica Jimeng Wu. Esto no sólo ahorra tiempo, sino también costes, porque proporciona una ayuda para la toma de decisiones antes de iniciar un costoso ensayo clínico".
El modelo contribuye así al concepto de diseño seguro y sostenible", añade Peter Wick, que dirige la tesis doctoral de Jimeng Wu junto con su colega Bernd Nowack. Y es que el ratón virtual aumenta la seguridad de los nuevos materiales o terapias incluso antes de que se desarrollen. Sin embargo, señala que el conjunto de datos utilizado para entrenar el modelo es aún muy limitado: Hasta ahora, sólo se han encontrado 18 artículos revisados por expertos con datos de calidad suficiente. En muchos estudios, las propiedades de las nanopartículas utilizadas no se describen con suficiente detalle", señala. La tarea ahora consiste en alimentar el ratón virtual con datos de estudios adicionales y verificarlos para aumentar aún más la fiabilidad de las predicciones. Nuestro objetivo a largo plazo es acortar el proceso de desarrollo de materiales nanomédicos hasta su uso como fármaco en pacientes y, en el mejor de los casos, evitar los ensayos con animales", subraya.
Adaptar el modelo a las enfermedades humanas
Las futuras investigaciones de Jimeng Wu se centrarán también en la llamada "estrategia puente" para trasladar el principio de su modelo in silico a la investigación humana. Para ello, planea integrar los principios del ratón virtual en un modelo PBPK humano. A diferencia de su ratón simulado, que sólo calcula la distribución de nanopartículas en el hígado, los riñones, los pulmones y el bazo, un modelo in silico humano también podría utilizarse para estudiar órganos diana sensibles, por ejemplo, para investigar hasta qué punto determinadas nanopartículas pueden atravesar la barrera hematoencefálica. Incluso el tumor cerebral mencionado al principio ya no se sentiría seguro detrás de esta barrera: las nanopartículas podrían actuar como "carteros" y entregar un paquete con una dosis específica de quimioterapia.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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