In Silico Medicine: Insigneo: Definíció, történelem, intézmények, főbb eredmények

• About Insigneo
• In Silico Medicine: Definíció, történelem, intézmények, főbb eredmények
• Az Insigneo Intézet: Vízió, küldetés, értékek, történelem, szervezet
• Insigneo igazgatótanácsi tagok

Mit jelent az in silico medicina?

A biológiában a vizsgálatok in vivo (latinul ‘élőben’) végezhetők egész, élő szervezeteken, legyen az növény, állat vagy ember, ellentétben az in vitro vizsgálatokkal, amelyek élő anyagokon – mikroorganizmusokon, sejteken, szöveteken, szerveken – folynak mesterséges körülmények között, kémcsőben, tenyésztőedényben vagy inkubátorban. A számítógépes chipek szilíciumból készülnek, így az in silico, ‘a szilíciumon belül’, a számítógépes modellezés és szimuláció segítségével végzett vizsgálatokat jelöli.

Az in silico orvostudomány (más néven ‘számítógépes orvostudomány’) olyan modellezési és szimulációs technológiákat jelöl, amelyek közvetlenül hozzájárulnak a betegségek megelőzéséhez, diagnózisához, prognózisához, a kezelés tervezéséhez & végrehajtásához vagy kezeléséhez. Az in silico medicina technológiái olyan mennyiségek alany-specifikus előrejelzését biztosítják, amelyeket nehéz vagy lehetetlen közvetlenül mérni, de amelyek fontosak a beteggel kapcsolatos orvosi döntések támogatásához.

Például a mágneses rezonancia képalkotás adataiból generált alany-specifikus számítógépes modell sokkal pontosabban meg tudja jósolni, hogy egy személyt érint-e a pulmonális hipertónia. Egy másik alany-specifikus számítógépes modell, amely fluoroszkópiás felvételeken alapul, lényeges információkat szolgáltathat a legjobb kezelés eldöntéséhez a koszorúér-szűkületben szenvedő betegek esetében, amelyet általában csak olyan invazív eljárással lehet mérni, amelyet az Egyesült Királyságban kevés kórház tud elvégezni.

Az in silico medicina rövid története

A fiziológiának nagy hagyománya van, különösen Claude Bernard XIX. századi munkásságától kezdve, az élettani folyamatok és az orvosi gyakorlat alapjául szolgáló szerkezet-funkció összefüggések kvantitatív kutatásának.

Ez a hagyomány a multidiszciplináris tudás integrálását hangsúlyozta azáltal, hogy a fizikai törvényszerűségek és a matematika segítségével, bár egyszerű szinten, de megértette az élet összetett folyamatait. Az élet genetikai és molekuláris alapjainak feltárásával azonban a huszadik század második felében az orvosbiológiai kutatás nagymértékben eltávolodott a fiziológiától a molekuláris biológia irányába. A kilencvenes évek elejétől kezdve azonban az orvosbiológiai kutatók elkezdtek fellépni a molekuláris biológia túlzott redukcionizmusa ellen, megjegyezve, hogy az teljesen elhanyagolja a sejtek, szövetek és szervek közötti összetett kölcsönhatásokat, valamint az életmód, a táplálkozás és a környezet szerepét.

1993-ban a Nemzetközi Fiziológiai Tudományos Unió (IUPS) felismerte ezt a kettősséget, és létrehozta a Physiome Projectet, hogy a mérnöki megközelítéseket és technológiákat bevezesse az élettani tudományokba. A projekt a számítási fiziológia keretrendszerévé fejlődött, amelyet még mindig finomítanak.

A hatodik kutatási és technológiafejlesztési keretprogram (FP6, 2002-2006) során az Európai Bizottság (EB) olyan projekteket finanszírozott, amelyekben a számítási fiziológia, biofizika és biomechanika módszereit klinikailag releváns problémák megoldására használták. A rendelkezésre álló szakértelem ellenére azonban az volt az érzés, hogy Európa “lemaradt a hajóról”: Az IUPS 1993-ban hivatalosan támogatta az IUPS Physiome Projectet, de a lendület elsősorban Új-Zélandon, Japánban és az Egyesült Államokban volt. Emellett 2003 áprilisában megalakult az amerikai Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG), amely a National Institutes of Health (NIH) és a National Science Foundation (NSF) programjainak munkatársait koordinálta, és amely ezen a növekvő területen projekteket irányított. A kutatók egy kis csoportja 2005. június 1-jén Barcelonában szakértői műhelytalálkozót tartott az Európai Bizottság tisztviselőivel. E találkozót követően, novemberben egy fehér könyvet tettek közzé, amelyben először használták a virtuális élettani ember (Virtual Physiological Human, VPH) kifejezést.

2007-ben a világ minden tájáról több mint 200 szakértő járult hozzá a “Seeding the Europhysiome” című jelentéshez, egy kutatási útitervhez, amely a VPH fejlesztésének színterét határozta meg.

2008-ban a PricewaterhouseCoopers kiadta a “Pharma 2020: Virtual R&D – Which path will you take on?” címmel, amely szerint a gyógyszeripar jelenlegi üzleti modellje fenntarthatatlan, és az innovációs ciklus drasztikus változásokat igényel, beleértve az in silico technológiák tömeges bevezetését.

2010-ben indult el az az alkotmányos folyamat, amelynek eredményeként egy évvel később megalakult a VPH Institute for Integrative Biomedical Research, mint nemzetközi nonprofit szervezet, amely ma is képviseli ezt a teljes kutatóközösséget világszerte.

2011-ben a VPH Intézet politikai ügyekkel foglalkozó munkacsoportja állásfoglalást készített az állatkísérletekről, amelyben támogatta azt a tézist, hogy a VPH által biztosított virtuális modellezési technológiák alapelvei alkalmazhatók az állatkísérletekre, és így hozzájárulhatnak a kutatásban felhasznált állatok számának csökkentéséhez. Emellett a közelgő H2020 keretprogramról szóló állásfoglalásban az in silico medicina technológiákra vonatkozó három célt fogalmaztak meg:

1. The Digital Patient – The VPH for the doctor; patient-specific modelling to support medical decisions. További részletekért lásd a Discipulus útitervet.
2. In silico klinikai vizsgálatok – A VPH az orvosbiológiai ipar számára; páciens-specifikus modellek gyűjteményei az új orvosbiológiai termékek preklinikai és klinikai értékelésének kiegészítésére; in silico technológiák az állat- és humán kísérletek csökkentésére, finomítására és részleges helyettesítésére. További részletekért lásd az Avicenna útitervét.
3. Személyes egészségügyi előrejelzés – A VPH a beteg/polgár számára; a betegadatokon – beleértve a viselhető és környezeti érzékelők által gyűjtött adatokat – alapuló alany-specifikus szimulációk, amelyek tanácsokat adnak az önkezelést igénylő állapotok által érintett egyéneknek vagy a betegség kialakulásának kockázatának kitett személyeknek. Lásd a Viceconti professzorral (az Insigneo korábbi ügyvezető igazgatójával) készült interjút erről a témáról.

2011 őszén Sheffieldben egy új, a VPH-kutatással foglalkozó kutatóintézet létrehozását javasolták, és 2012 májusában az Insigneo intézet megnyitotta kapuit a tagság előtt. További információkért kérjük, olvassa el a következő szakaszokat: Az Insigneo-ról és az Insigneo Intézetről:

Az in silico medicina szerepe az orvosbiológiai kutatásban

A Lancet első számának 1823-as megjelenése szimbolikusan jelezte azt a pillanatot a 19. században, amikor az orvosbiológiai kutatás forradalma megkezdődött. Ebből a terjeszkedésből kiindulva a modern orvosbiológiai kutatás három, egymástól meglehetősen eltérő paradigma köré szerveződött, amelyek mindegyike az emberi test lehetetlenül komplexitásával próbált megbirkózni:

• Celluláris és molekuláris biológiai kutatás, amelyet egy agresszívan redukcionista program vezérel, és amely a rendszer kis alegységeire összpontosít;
• Klinikai kutatás, amely az emberi testet nagyrészt fekete dobozként kezeli, és túlnyomórészt az empirikus megfigyelések statisztikai elemzésére támaszkodik;
• Fiziológiai kutatás, amely a fizikai és mérnöki tudományokra jellemző megközelítés szerint próbálja vizsgálni az emberi testet.

A harmadik megközelítés, amelyet a 19. és a 20. század eleji számítások és műszerek drámai korlátai hiúsítottak meg, a közelmúltig a három közül a legkevésbé sikeres volt, és jelentőségét kevéssé vették figyelembe. Úgy véljük, hogy két esemény megváltoztatja ezt a forgatókönyvet.

Az első az a drámai fejlődés, amelyet a fizikai és mérnöki tudományok az orvosbiológiai műszerek körül elértek. Röntgensugarak, mágneses mezők és ultrahang segítségével ma már figyelemre méltó pontossággal tudjuk leképezni az emberi test belsejét; az automatizált kémiai analizátorok, spektroszkópok és szekvenálók olyan nagy áteresztőképességű biokémiát kínálnak, amely teljesen új lehetőségeket nyit meg; a modern elektrofiziológia elképesztő képességei részleteket adnak a szív, az izmok és az agy működéséről; a mozgásrögzítés, a dinamometria és a viselhető érzékelők részletes képet nyújtanak az emberi mozgás biomechanikájáról. Röviden, ma már minden egyes betegről hatalmas mennyiségi adattárat tudunk gyűjteni, amely jelentős részletességgel írja le anatómiáját, fiziológiáját, biokémiáját, anyagcseréjét és így tovább.

A második a számítások elképesztő kifinomultsága, köszönhetően a matematika, a számítástudomány és a mérnöki tudományok fejlődésének, valamint a modellezést és szimulációt javító modern hardvereknek és szoftvereknek. Ez a fejlődés azért kulcsfontosságú, mert most először tudjuk megoldani azt a hatalmas számú, összetett matematikai egyenletet, amely számos fiziológiai és patológiai folyamatot képes kvantitatív módon leírni. Most már rendelkezésünkre állnak az eszközök, hogy nagyjából mindent megmérjünk vagy kiszámítsunk, ami az egyes betegek teljes körű értékeléséhez szükséges.

A komplex élő szervezetekkel kapcsolatos kihívás azonban az, hogy azok drámaian összefonódottak, így nem igazán feltételezhető, hogy bármelyik rész működése független lenne az összes többitől. A biológiai kutatások nagy része kikerüli ezt a problémát, a redukcionizmusra hivatkozva, a klinikai kutatások pedig teljesen megkerülik azt, mellőzve minden kísérletet a részletes mechanisztikus magyarázatok keresésére. A fizikai és mérnöki tudományok módszerein alapuló orvosbiológiai kutatási programnak azonban szembe kell néznie ezzel a komplexitással; és ez csak akkor lehetséges, ha matematikai és számítási módszereket használunk elméleteink megfogalmazásához, és kvantitatív módon összehasonlítjuk előrejelzéseiket a kísérleti megfigyelésekkel, ami a bizonyításuk vagy hamisításuk elsődleges eszköze. És ha egyszer kialakul egy olyan elmélet, amely ellenáll a cáfolatoknak, az alapul szolgáló előrejelző modell felhasználható klinikailag releváns problémák megoldására; a modern orvostudomány számos nagy kihívását (megelőzés, személyre szabás, részvétel, a Leroy Hood által először leírt “P4 orvostudomány” jövőképének előrejelzésével) könnyedén megoldaná a betegség lefolyásának és a különböző kezelési lehetőségek hatásának előrejelzésére való képesség növelése egy adott egyén esetében.

Ezért úgy gondoljuk, hogy az in silico orvostudomány az a fő csatorna, amelyen keresztül az elmúlt generáció nagy fiziológusainak végül igaza lesz, és a fizikai és mérnöki tudományok módszerein alapuló orvosbiológiai tudomány egyre sikeresebbé válik. Azt állítjuk, hogy az in silico medicina paradigmaváltást jelent a Thomas Kuhn filozófus által javasolt értelemben, “alapvető változást egy tudományág alapfogalmaiban és kísérleti gyakorlatában.”

Fontos intézmények

• A VPH Intézet az integratív orvosbiológiai kutatásért. Ez az a nonprofit nemzetközi szervezet, amely világszerte képviseli a VPH / in silico medicine kutatóközösséget.
• Aucklandi Biomérnöki Intézet. Az IUPS Physiome projektnek otthont adó, Peter Hunter professzor által vezetett intézet továbbra is a terület legfontosabb intézménye világszerte.
• The National Simulation Resource Physiome at the University of Washington Department of Bioengineering. Jim Bassingthwaighte csapata indította el a szívfiziom kezdeményezést, és számos alapvető technológiát támogat, köztük a JSIM-et, a kvantitatív numerikus modellek építésére és működtetésére szolgáló Java-alapú szimulációs rendszert.
• A The Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG). Ez a kezdeményezés 2003 óta Dr. Grace Peng vezetésével koordinálja az USA összes olyan szövetségi finanszírozási ügynökségét, amely támogatja a modellezési és szimulációs kutatásokat az élettudományok és az orvosbiológiai kutatás területén.
• A Center for Advanced Medical Engineering and Informatics. A 2004-ben az in silico medicina globális kiválósági központja által kezdeményezett és a japán kormány által finanszírozott, Kurachi professzor vezetésével működő központ Japánban referencia központ.
• The Institute for Computational Medicine at John Hopkins University. Natalia Trayanova laboratóriuma csak egyike azoknak a kiváló kutatócsoportoknak, amelyek ennek a nemrég létrehozott intézetnek a részét képezik.
• Neuromuszkuláris biomechanikai laboratórium a Stanford Egyetemen. Scott Delp csapata vezeti a National Institutes of Health Big Data to Knowledge Mobilize Center of Excellence és az NIH National Center for Simulation in Rehabilitation Research (NIH Nemzeti Rehabilitációs Szimulációs Kutatóközpont), amely az OpenSIM szoftvert fejleszti és karbantartja.
• Az Eindhoveni Műszaki Egyetem Biomedical Engineering Tanszéke. Európa egyik legjobb biomérnöki tanszéke, amelynek oktatói között az in silico orvostudomány számos vezetője van, többek között Frans van de Vosse, Cees Oomens, Keita Ito és Dan Bader.

In Silico Medicine: Az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala (FDA) jóváhagyja a T1DMS-t, az első in silico I. típusú diabétesz modellt, amely az 1-es típusú cukorbetegség új szabályozási stratégiáinak preklinikai állatkísérleteit helyettesítheti, és amelyet a mesterséges hasnyálmirigy-technológiákban lehet felhasználni.