In Silico Medicine: O Insigneo In Silico Medicine: Definice, historie, instituce, hlavní úspěchy

• In Silico Medicine:
• Institut Insigneo: definice, historie, instituce, hlavní úspěchy
• Institut Insigneo:
• Členové správní rady Insigneo

Co znamená in silico medicína?

V biologii lze provádět studie in vivo (latinsky „v živém“), na celých živých organismech, ať už rostlinách, zvířatech nebo lidech, na rozdíl od in vitro, na živé hmotě – mikroorganismech, buňkách, tkáních, orgánech – uvnitř umělého prostředí, ať už zkumavky, kultivační misky nebo inkubátoru. Počítačové čipy jsou vyrobeny z křemíku, takže in silico, „uvnitř křemíku“, označuje studie prováděné pomocí počítačového modelování a simulace.

Medicína in silico (známá také jako „výpočetní medicína“) označuje modelovací a simulační technologie, které přímo přispívají k prevenci, diagnostice, prognóze, plánování & provádění léčby nebo řízení onemocnění. Technologie medicíny in silico poskytují pro daný subjekt specifické předpovědi veličin, které je obtížné nebo nemožné přímo změřit, ale které jsou důležité pro podporu lékařských rozhodnutí o pacientovi.

Například počítačový model pro daný subjekt vytvořený na základě údajů z magnetické rezonance může mnohem přesněji předpovědět, zda je člověk postižen plicní hypertenzí. Jiný předmětově specifický počítačový model založený na fluoroskopických snímcích může poskytnout informace důležité pro rozhodování o nejlepším způsobu léčby pacientů se stenózou koronárního řečiště, kterou lze za normálních okolností změřit pouze invazivním postupem, který může provádět jen málo nemocnic ve Velké Británii.

Krátká historie medicíny in silico

Fyziologie má dlouhou tradici, která se datuje zejména od práce Clauda Bernarda v 19. století, kvantitativního výzkumu vztahů mezi strukturou a funkcí, které jsou základem fyziologických procesů a lékařské praxe.

Tato tradice zdůrazňovala integraci multidisciplinárních poznatků pomocí fyzikálních zákonů a matematiky, byť na jednoduché úrovni, k pochopení složitých životních procesů. S objasněním genetických a molekulárních základů života se však biomedicínský výzkum v druhé polovině dvacátého století do značné míry odklonil od fyziologie směrem k molekulární biologii. Od počátku devadesátých let však začali biomedicínští výzkumníci vystupovat proti přílišnému redukcionismu molekulární biologie s tím, že zcela opomíjí složité interakce mezi buňkami, tkáněmi a orgány, stejně jako roli, kterou hraje životní styl, výživa a životní prostředí.

V roce 1993 Mezinárodní unie fyziologických věd (IUPS) tuto dichotomii uznala a založila projekt Physiome, jehož cílem bylo zavést do fyziologických věd technické přístupy a technologie. Projekt se vyvinul v rámec pro výpočetní fyziologii, který se stále zdokonaluje.

V průběhu šestého rámcového programu pro výzkum a technologický rozvoj (6. RP, 2002-2006) financovala Evropská komise (EK) projekty, v nichž byly výpočetní fyziologie, biofyzika a biomechanické metody použity k řešení klinicky relevantních problémů. Navzdory dostupným odborným znalostem však panoval pocit, že Evropě „uniká vlak“: IUPS v roce 1993 formálně schválila projekt IUPS Physiome Project, ale hybnou silou byl především Nový Zéland, Japonsko a Spojené státy. V dubnu 2003 byla také v USA vytvořena Meziagenturní skupina pro modelování a analýzu (IMAG); ta koordinovala programové pracovníky z Národních institutů zdraví (NIH) a Národní vědecké nadace (NSF), kteří řídili projekty v této rozvíjející se oblasti. Dne 1. června 2005 se malá skupina výzkumných pracovníků setkala s úředníky z EK na odborném semináři v Barceloně. Po tomto setkání byla v listopadu zveřejněna bílá kniha, v níž byl poprvé použit termín virtuální fyziologický člověk (VPH).

V roce 2007 se více než 200 odborníků z celého světa podílelo na zprávě „Seeding the Europhysiome“, plánu výzkumu, který připravil půdu pro rozvoj VPH.

V roce 2008 zveřejnila společnost PricewaterhouseCoopers zprávu s názvem „Pharma 2020:

V roce 2010 byl zahájen konstituční proces, v jehož rámci byl o rok později založen VPH Institute for Integrative Biomedical Research jako mezinárodní nezisková organizace, která dodnes zastupuje celou tuto výzkumnou komunitu na celém světě.

V roce 2011 vypracovala pracovní skupina pro politické záležitosti Institutu VPH stanovisko k pokusům na zvířatech, v němž podpořila tezi, že principy technologií virtuálního modelování poskytované Institutem VPH lze aplikovat na pokusy na zvířatech a přispět tak ke snížení počtu zvířat používaných ve výzkumu. Také v pozičním dokumentu k nadcházejícímu rámcovému programu H2020 jsou stanoveny tři cíle pro technologie in silico medicíny:

1. Digitální pacient – VPH pro lékaře; modelování specifické pro pacienta na podporu lékařských rozhodnutí. Další podrobnosti viz plán Discipulus.
2. Klinické zkoušky in silico – VPH pro biomedicínský průmysl; sbírky modelů specifických pro pacienta k rozšíření předklinického a klinického hodnocení nových biomedicínských produktů; technologie in silico pro snížení, zdokonalení a částečné nahrazení pokusů na zvířatech a lidech. Další podrobnosti viz plán společnosti Avicenna.
3. Personal Health Forecasting – VPH pro pacienta/občana; simulace specifické pro daný subjekt, založené na údajích o pacientovi – včetně údajů shromážděných pomocí nositelných senzorů a senzorů prostředí -, které poskytují rady osobám postiženým stavy vyžadujícími samosprávu nebo osobám ohroženým vznikem onemocnění. Viz rozhovor s profesorem Vicecontim (bývalým výkonným ředitelem společnosti Insigneo) na toto téma.

Na podzim roku 2011 byl v Sheffieldu navržen rozvoj nového výzkumného institutu zaměřeného na výzkum VPH a v květnu 2012 byl institut Insigneo otevřen pro členy. Další informace naleznete v oddílech věnovaných těmto tématům: O institutu Insigneo a Institut Insigneo:

Úloha in silico medicíny v rámci biomedicínského výzkumu

Vydání prvního čísla časopisu Lancet v roce 1823 symbolicky předznamenalo okamžik, kdy v 19. století začala revoluce v biomedicínském výzkumu. Z této expanze vzešel moderní biomedicínský výzkum, který se dále organizuje kolem tří poměrně odlišných paradigmat, z nichž každé se snaží vypořádat s nemožnou složitostí lidského těla:

• Buněčný a molekulárně biologický výzkum, vedený agresivně redukcionistickým programem, který se zaměřuje na malé dílčí jednotky systému;
• Klinický výzkum, který do značné míry považuje lidské tělo za černou skříňku a spoléhá se převážně na statistickou analýzu empirických pozorování;
• Fyziologický výzkum, který se snaží zkoumat lidské tělo podle přístupu typického pro fyzikální a technické vědy.

Třetí přístup, zmařený dramatickými omezeními kalkulací a přístrojového vybavení 19. a počátku 20. století, byl donedávna nejméně úspěšný ze všech tří a jeho význam byl málo zohledňován. Domníváme se, že tento scénář mění dvě události.

První z nich je dramatický pokrok, k němuž došlo v oblasti fyzikálních a technických věd kolem biomedicínské instrumentace. Pomocí rentgenového záření, magnetických polí a ultrazvuku můžeme nyní s pozoruhodnou přesností zobrazit vnitřek lidského těla; automatické chemické analyzátory, spektroskopy a sekvenátory nabízejí vysoce výkonnou biochemii, která otevírá zcela nové možnosti; úžasné možnosti moderní elektrofyziologie nám poskytují podrobnosti o fungování srdce, svalů a mozku; snímání pohybu, dynamometrie a nositelné senzory nabízejí detailní pohled na biomechaniku lidského pohybu. Stručně řečeno, dnes můžeme o každém jednotlivém pacientovi shromáždit rozsáhlou knihovnu kvantitativních údajů, které značně podrobně popisují jeho anatomii, fyziologii, biochemii, metabolismus a další.

Druhou oblastí je ohromující sofistikovanost výpočtů, a to díky pokroku v matematice, výpočetní vědě a inženýrství a modernímu hardwaru a softwaru pro zdokonalení modelování a simulace. Tento vývoj je zásadní, protože poprvé můžeme řešit obrovské množství složitých matematických rovnic, které mohou kvantitativně popsat mnoho fyziologických a patologických procesů. Nyní máme prostředky k tomu, abychom změřili nebo vypočítali prakticky vše, co je nutné pro kompletní posouzení každého jednotlivého pacienta.

Problémem složitých živých organismů je však jejich dramatická provázanost, takže nelze předpokládat, že by fungování kterékoli z částí bylo skutečně nezávislé na všech ostatních. Velká část biologického výzkumu tento problém obchází s odvoláním na redukcionismus a klinický výzkum jej zcela obchází tím, že ignoruje jakýkoli pokus o hledání podrobných mechanistických vysvětlení. Program biomedicínského výzkumu založený na metodách fyzikálních a technických věd se však s touto složitostí musí vyrovnat; a to je možné pouze tehdy, pokud budeme používat matematické a výpočetní metody k formulaci našich teorií a kvantitativně porovnávat jejich předpovědi s experimentálními pozorováními jako hlavní prostředek jejich důkazu nebo falzifikace. A jakmile vznikne teorie, která je odolná vůči vyvrácení, lze základní predikční model použít k řešení klinicky relevantních problémů; mnoho velkých výzev moderní medicíny (prevence, personalizace, participace, to s předpovědí pro vizi „medicíny P4“, kterou poprvé popsal Leroy Hood) by se snadno řešilo zvýšenou schopností předpovídat průběh nemoci a účinek různých možností léčby pro každého jednotlivce.

Domníváme se proto, že medicína in silico je hlavním kanálem, kterým se nakonec ukáže, že velcí fyziologové minulé generace měli pravdu, a biomedicínská věda založená na metodách fyzikálních a technických věd bude stále úspěšnější. Tvrdíme, že medicína in silico představuje změnu paradigmatu ve smyslu navrženém filozofem Thomasem Kuhnem, „zásadní změnu v základních koncepcích a experimentálních postupech vědecké disciplíny“

Důležité instituce

• Ústav VPH pro integrativní biomedicínský výzkum. Jedná se o neziskovou mezinárodní organizaci, která celosvětově zastupuje výzkumnou komunitu VPH / in silico medicíny.
• The Auckland Bioengineering Institute. Tento institut, který je domovem projektu IUPS Physiome a který vede profesor Peter Hunter, zůstává celosvětově nejvýznamnější institucí v této oblasti.
• Národní simulační zdroj Physiome na katedře bioinženýrství Washingtonské univerzity. Tým Jima Bassingthwaighta stál u zrodu iniciativy kardiálního fyziomu a podporuje řadu zásadních technologií, včetně JSIM, simulačního systému na bázi Javy pro konstrukci a provoz kvantitativních numerických modelů.
• The Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG). Od roku 2003 tato iniciativa, vedená Dr. Grace Pengovou, koordinuje všechny federální finanční agentury USA, které podporují modelování a simulační výzkum v oblasti věd o živé přírodě a biomedicínského výzkumu.
• Centrum pro pokročilé lékařské inženýrství a informatiku. Toto centrum, které vzniklo v roce 2004 z iniciativy Globálního centra excelence v in silico medicíně a je financováno japonskou vládou pod vedením profesora Kurachiho, je referenčním centrem v Japonsku.
• Institut pro výpočetní medicínu na John Hopkins University. Laboratoř Natalie Trayanové je pouze jednou z vynikajících výzkumných skupin, které jsou součástí tohoto nedávno založeného institutu.
• Laboratoř neuromuskulární biomechaniky na Stanfordově univerzitě. Tým Scotta Delpa je hnacím motorem centra excelence National Institutes of Health Big Data to Knowledge Mobilize Center of Excellence a Národního centra NIH pro simulaci v rehabilitačním výzkumu, které vyvíjí a spravuje software OpenSIM.
• Katedra biomedicínského inženýrství na Technické univerzitě v Eindhovenu. Je jednou z nejlepších kateder biomedicínského inženýrství v Evropě a mezi jejími profesory působí několik předních odborníků v oblasti medicíny in silico, například Frans van de Vosse, Cees Oomens, Keita Ito a Dan Bader.

In Silico Medicine: Hlavní úspěchy

Úřad pro kontrolu potravin a léčiv v USA (FDA) schvaluje T1DMS, první in silico model diabetu I. typu jako možnou náhradu předklinických testů na zvířatech pro nové strategie kontroly diabetu 1. typu, který se má používat v technologiích umělé slinivky.

.