Menos experiências com animais graças ao rato virtual
Modelo de rato in silico apoiado por IA para investigação biomédica
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A inteligência artificial (IA) pode salvar vidas. Pelo menos vidas de ratos. Os investigadores da Empa desenvolveram um modelo informático do corpo de um rato apoiado na IA que utiliza a aprendizagem automática para prever a forma como os diferentes nanomateriais se distribuem no organismo do rato. De acordo com o princípio "Safe and Sustainable by Design", o modelo não só servirá de ajuda à tomada de decisões no desenvolvimento de medicamentos, como também reduzirá os ensaios em animais.
Quando um tumor consegue aninhar-se no cérebro de um ser vivo, fez - do ponto de vista do tumor - algo particularmente inteligente. Escondeu-se atrás de uma das barreiras mais poderosas com que o corpo protege os seus órgãos mais importantes: a barreira hemato-encefálica, um filtro altamente seletivo que apenas permite a passagem de determinadas substâncias. A maioria das drogas não está entre elas. Por isso, é um grande desafio para a investigação biomédica encontrar uma quimioterapia eficaz para os tumores cerebrais.
Nos últimos anos, os investigadores encontraram um aliado promissor: a nanotecnologia. Os materiais à nanoescala podem, em sentido figurado, assumir o papel de carteiros que entregam os princípios activos na morada certa. Uma vez que as nanopartículas são inimaginavelmente pequenas - cerca de 500 vezes mais pequenas do que o diâmetro de um cabelo humano médio - algumas conseguem atravessar as barreiras protectoras do corpo sem o danificar. Para ficarmos com o exemplo dos tumores cerebrais, as nanopartículas poderiam transportar medicamentos quimioterapêuticos através da barreira hemato-encefálica, onde podem combater o tumor cerebral.
Em busca do nanomaterial certo
No entanto, dependendo da tarefa que têm de desempenhar, as nanopartículas devem ter propriedades muito específicas: Dependendo da sua forma, composição do material e tamanho, distribuem-se de forma muito diferente no corpo e acumulam-se em diferentes órgãos. Por isso, é importante descobrir quais as partículas que desempenham melhor a sua tarefa e causam o mínimo de danos possível. Até agora, os investigadores têm utilizado principalmente modelos de ratinhos para responder a estas questões: Administraram vários tipos de nanomateriais a ratos e depois examinaram a forma como estes se distribuíam no corpo do rato e os efeitos secundários que causavam. No entanto, estes estudos em animais não só são complexos, demorados e dispendiosos, como também levantam questões éticas. Não é sem razão que a legislação suíça relativa ao bem-estar dos animais exige que o número de experiências realizadas com animais seja reduzido ao mínimo necessário.
Rato com IA com uma vantagem decisiva
O investigador da Empa Jimeng Wu, estudante de doutoramento nos laboratórios "Nanomateriais na Saúde" e "Tecnologia e Sociedade" da Empa, desenvolveu um rato virtual que utiliza a IA para realizar estes testes de uma forma muito mais eficiente em termos de tempo. Wu baseou o chamado modelo farmacocinético de base fisiológica (modelo PBPK) em 18 estudos com ratos: dados de experiências realizadas por várias equipas de investigação em ratos vivos. Integrou também no seu modelo um método estatístico, a análise Bayesiana com simulações de Monte Carlo em cadeia de Markov.
O resultado é um rato virtual ao qual podem ser administradas nanopartículas - também virtuais. O modelo calcula então a sua distribuição no corpo do rato com base em propriedades como o tamanho, o revestimento e a carga superficial. Em comparação com um modelo PBPK tradicional, que é calibrado para uma única substância de cada vez, o rato com IA de Wu tem uma vantagem decisiva: "O modelo pode adaptar os seus parâmetros às propriedades mensuráveis da respectiva nanopartícula", explica Jimeng Wu. A ferramenta deve esta capacidade ao modelo de regressão linear multivariada, uma abordagem de aprendizagem automática.
Contribuição para uma conceção segura e sustentável
Esta ferramenta de rastreio apoiada por IA permite aos investigadores testar virtualmente que tipo de nanopartículas são mais adequadas para uma tarefa específica antes mesmo de as fabricarem", explica Jimeng Wu. Isto não só poupa tempo, mas também custos, porque proporciona uma ajuda à tomada de decisões antes de se iniciar um ensaio clínico dispendioso.
O modelo contribui assim para o conceito de Safe and Sustainable by Design (SSbD)", acrescenta Peter Wick, que está a orientar a tese de doutoramento de Jimeng Wu juntamente com o seu colega Bernd Nowack. Isto porque o rato virtual aumenta a segurança de novos materiais ou terapias mesmo antes de serem desenvolvidos. No entanto, o investigador salienta que o conjunto de dados utilizado para treinar o modelo é ainda muito limitado: Até à data, só foram encontrados 18 artigos revistos por pares com qualidade de dados suficiente. Em muitos estudos, as propriedades das nanopartículas utilizadas não são descritas com o pormenor adequado", observa. A tarefa agora é alimentar o rato virtual com dados de estudos adicionais e verificá-los, a fim de aumentar ainda mais a fiabilidade das previsões. O nosso objetivo a longo prazo é encurtar o processo de desenvolvimento de materiais de nanomedicina até à sua utilização como medicamento em doentes, sendo idealmente capaz de evitar ensaios em animais", sublinha.
Adaptar o modelo às doenças humanas
A investigação futura de Jimeng Wu centrar-se-á também na chamada "estratégia de ponte" para transferir o princípio do seu modelo in silico para a investigação humana. Para tal, planeia incorporar os princípios do rato virtual num modelo PBPK humano. Ao contrário do rato simulado, que apenas calcula a distribuição das nanopartículas no fígado, nos rins, nos pulmões e no baço, um modelo humano in silico poderia também ser utilizado para estudar órgãos-alvo sensíveis - por exemplo, para investigar até que ponto determinadas nanopartículas podem atravessar a barreira hemato-encefálica. Mesmo o tumor cerebral mencionado no início já não se sentiria seguro atrás desta barreira - as nanopartículas poderiam atuar como "carteiros" e entregar um pacote contendo uma dose específica de quimioterapia.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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