Em Medicina Silico: Definição, História, Instituições, Principais Realizações

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O que significa em medicina silícica?

Em biologia, os estudos podem ser realizados in vivo (latim para ‘dentro dos vivos’), em geral, organismos vivos, sejam plantas, animais ou humanos, em contraste com in vitro, sobre matéria viva – microorganismos, células, tecidos, órgãos – dentro de um confinamento artificial, seja tubo de ensaio, prato de cultura ou incubadora. Os chips de computador são feitos de silício, portanto em silico, ‘dentro do silício’, indica estudos realizados com modelagem e simulação por computador.

Em medicina silico (também conhecida como ‘medicina computacional’) indica tecnologias de modelagem e simulação que contribuem diretamente para a prevenção, diagnóstico, prognóstico, planejamento de tratamento & execução, ou manejo de doenças. Na medicina sílica, as tecnologias fornecem previsões específicas de quantidades que são difíceis ou impossíveis de medir diretamente, mas que são importantes para apoiar as decisões médicas sobre um paciente.

Por exemplo, um modelo de computador específico do paciente gerado a partir de dados de Ressonância Magnética pode prever com muito mais precisão se uma pessoa é afetada por hipertensão pulmonar. Outro modelo de computador específico do assunto baseado em imagens fluoroscópicas pode fornecer informações essenciais para decidir o melhor curso do tratamento para pacientes com estenose coronária, que normalmente só pode ser medida com um procedimento invasivo que poucos hospitais no Reino Unido podem realizar.

Uma breve história da medicina silícica

Fisiologia tem uma longa tradição, datada particularmente do trabalho de Claude Bernard no século XIX, de pesquisa quantitativa sobre as relações estrutura-função que sustentam os processos fisiológicos e a prática da medicina.

Esta tradição enfatizava a integração do conhecimento multidisciplinar, utilizando leis físicas e matemáticas, embora a um nível simples, para compreender os complexos processos da vida. Com a elucidação da base genética e molecular da vida, porém, a pesquisa biomédica na segunda metade do século XX afastou-se em grande parte da fisiologia para a biologia molecular. Mas a partir do início dos anos noventa, pesquisadores biomédicos começaram a defender contra o reducionismo excessivo da biologia molecular, observando que ela negligenciava completamente as complexas interações entre células, tecidos e órgãos, bem como os papéis desempenhados pelo estilo de vida, nutrição e meio ambiente.

Em 1993, a União Internacional de Ciências Fisiológicas (IUPS) reconheceu esta dicotomia e estabeleceu o Projeto Fisioma para introduzir abordagens e tecnologias de engenharia nas ciências fisiológicas. O projeto evoluiu para uma estrutura para fisiologia computacional que ainda está sendo refinada.

Durante seu Sexto Programa Quadro de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico (FP6, 2002-2006), a Comissão Européia (CE) financiou projetos nos quais a fisiologia computacional, biofísica e métodos biomecânicos foram usados para abordar problemas clinicamente relevantes. No entanto, apesar da experiência disponível, havia um sentimento de que a Europa estava “perdendo o barco”: A IUPS tinha endossado formalmente o Projeto Físico IUPS em 1993, mas a unidade estava principalmente na Nova Zelândia, Japão e Estados Unidos. Também, em abril de 2003, foi formado o Grupo Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG) dos EUA; ele coordenou o pessoal do programa dos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) e da National Science Foundation (NSF), que gerenciou projetos nesta área em crescimento. Em 1º de junho de 2005, um pequeno grupo de pesquisadores se reuniu com funcionários do CE em um workshop de especialistas em Barcelona. Após esta reunião, em novembro, foi publicado um livro branco no qual, pela primeira vez, o termo Fisiológico Humano Virtual (VPH) foi usado.

Em 2007, mais de 200 especialistas de todo o mundo contribuíram para o relatório ‘Seeding the Europhysiome’, um roteiro de pesquisa que estabeleceu o cenário para o desenvolvimento do VPH.

Em 2008, a PricewaterhouseCoopers publicou um relatório intitulado ‘Pharma 2020′: Virtual R&D – Que caminho seguirá?’ que sugeria que o atual modelo de negócios da indústria farmacêutica era insustentável, e que o ciclo de inovação requer mudanças drásticas, incluindo a adoção massiva de tecnologias in silico.

Em 2010 começou um processo constitucional que veria estabelecido, um ano depois, o VPH Institute for Integrative Biomedical Research como uma organização internacional sem fins lucrativos que ainda hoje representa toda essa comunidade de pesquisa em todo o mundo.

Em 2011 o Grupo de Trabalho de Assuntos Políticos do Instituto VPH produziu uma declaração de posição sobre a experimentação animal, apoiando a tese de que os princípios das tecnologias de modelagem virtual fornecidas pelo VPH poderiam ser aplicados à experimentação animal e assim ajudar a reduzir o número de animais utilizados na pesquisa. Também, num documento de posição sobre o próximo programa-quadro H2020, os três alvos para as tecnologias de medicina sílica são definidos:

1. O Paciente Digital – O VPH para o médico; modelagem específica para o paciente para apoiar as decisões médicas. Veja o roteiro Discipulus para mais detalhes.
2. Em ensaios clínicos em silico – O VPH para a indústria biomédica; coleções de modelos específicos de pacientes para aumentar a avaliação pré-clínica e clínica de novos produtos biomédicos; em tecnologias em silico para a redução, refinamento e substituição parcial da experimentação animal e humana. Veja o roteiro de Avicenna para mais detalhes.
3. Previsão Pessoal de Saúde – O VPH para o paciente/cidadão; simulações específicas do assunto, baseadas em dados do paciente – incluindo aqueles coletados por sensores vestindo e ambientais – que fornecem conselhos a indivíduos afetados por condições que requerem autogestão ou a pessoas em risco de desenvolver doenças. Veja uma entrevista com o Professor Viceconti (ex-director executivo do Insigneo) sobre este tópico.

No Outono de 2011 foi proposto em Sheffield o desenvolvimento de um novo instituto de investigação dedicado à investigação do VPH, e em Maio de 2012 o instituto Insigneo abriu para a adesão. Para mais informações, por favor, consulte as seções sobre: Sobre o Insignéu e o Instituto Insignéu: Missão, Visão, História, Organização.

O papel da medicina do silo na investigação biomédica

A publicação em 1823 do primeiro número do Lancet marcou simbolicamente o momento do século XIX em que a revolução da investigação biomédica começou. Desta expansão, a investigação biomédica moderna passou a organizar-se em torno de três paradigmas bastante diferentes, cada um tentando lidar com a complexidade impossível do corpo humano:

• Pesquisa biológica celular e molecular, impulsionada por uma agenda agressivamente reducionista, que se concentra em pequenas subunidades do sistema;
• Pesquisa clínica, que trata o corpo humano como uma caixa negra, e se baseia predominantemente na análise estatística de observações empíricas;
• Pesquisa fisiológica, que tenta investigar o corpo humano seguindo a abordagem típica das ciências físicas e de engenharia.

A terceira abordagem, contrariada pelas dramáticas limitações do cálculo e instrumentação do século XIX e início do século XX tem sido, até recentemente, a menos bem sucedida das três, e a sua importância tem sido pouco considerada. Dois eventos, acreditamos, estão mudando este cenário.

O primeiro é o progresso dramático que as ciências físicas e de engenharia têm impulsionado, em torno da instrumentação biomédica. Usando raios-x, campos magnéticos e ultra-som podemos agora imaginar o interior do corpo humano com notável precisão; analisadores químicos automatizados, espectroscópios e sequenciadores oferecem uma bioquímica de alto rendimento que abre possibilidades inteiramente novas; as surpreendentes capacidades da electrofisiologia moderna dão-nos detalhes sobre o funcionamento do coração, dos músculos e do cérebro; a captura de movimento, a dinamometria e os sensores viáveis oferecem uma visão detalhada da biomecânica do movimento humano. Em resumo, hoje podemos coletar uma vasta biblioteca de dados quantitativos sobre cada paciente individual que descreve em detalhes significativos sua anatomia, fisiologia, bioquímica, metabolismo e mais.

A segunda é a espantosa sofisticação da computação, graças aos avanços da matemática, ciência computacional e engenharia, e hardware e software moderno para melhorar a modelagem e simulação. Este desenvolvimento é crucial porque, pela primeira vez, podemos resolver o enorme número de equações matemáticas complexas que podem descrever quantitativamente muitos processos fisiológicos e patológicos. Temos agora os meios para medir ou computar praticamente tudo o que é necessário para a avaliação completa de cada paciente.

O desafio com organismos vivos complexos é que eles estão dramaticamente enredados, de tal forma que o funcionamento de qualquer uma das partes não pode realmente ser assumido como independente de todas as outras. Uma grande parte da pesquisa biológica contorna este problema, citando o reducionismo, e a pesquisa clínica o ignora por completo, ignorando qualquer tentativa de buscar explicações mecanicistas detalhadas. Mas uma agenda de pesquisa biomédica baseada nos métodos das ciências físicas e de engenharia deve enfrentar essa complexidade; e isso só é possível se usarmos métodos matemáticos e computacionais para formular nossas teorias e compararmos quantitativamente suas previsões com observações experimentais como um meio primário de sua prova ou falsificação. E uma vez emergida uma teoria resistente à prova, o modelo preditivo subjacente pode ser usado para resolver problemas clinicamente relevantes; muitos dos grandes desafios da medicina moderna (prevenção, personalização, participação, que com previsão para a visão de uma “medicina P4” descrita pela primeira vez por Leroy Hood) seriam prontamente abordados por uma maior capacidade de prever o curso de uma doença e o efeito de diferentes opções de tratamento para qualquer indivíduo.

Por isso, acreditamos que na medicina sílica é o principal conduto através do qual os grandes fisiologistas da geração passada serão, em última análise, provados certos, e uma ciência biomédica baseada nos métodos da ciência física e da engenharia se tornará cada vez mais bem sucedida. Nós afirmamos que na medicina do sílica representa uma mudança de paradigma no sentido proposto pelo filósofo Thomas Kuhn, ‘uma mudança fundamental nos conceitos básicos e práticas experimentais de uma disciplina científica’

Instituições Importantes

• O Instituto VPH para a investigação biomédica integrativa. Esta é a organização internacional sem fins lucrativos que representa a comunidade mundial de pesquisa VPH / in silico medicine.
• The Auckland Bioengineering Institute. Home to the IUPS Physiome project, este instituto, liderado pelo Prof Peter Hunter, continua a ser a instituição mais importante na área em todo o mundo.
• The National Simulation Resource Physiome at the University of Washington Department of Bioengineering. A equipe de Jim Bassingthwaighte originou a iniciativa do fisioma cardíaco, e apoia uma série de tecnologias essenciais, incluindo JSIM, o sistema de simulação baseado em Java para a construção e operação de modelos numéricos quantitativos.
• The Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG). Desde 2003 esta iniciativa, liderada pela Dra. Grace Peng, coordena todas as agências federais de financiamento dos EUA que apoiam a modelagem e pesquisa de simulação em ciências da vida e pesquisa biomédica.
• O Centro de Engenharia Médica Avançada e Informática. Iniciado em 2004 pelo Centro Global de Excelência em medicina silícica e financiado pelo governo japonês sob a direção do Prof Kurachi, este é um centro de referência no Japão.
• Instituto de Medicina Computacional da Universidade John Hopkins. O laboratório de Natalia Trayanova é apenas um dos excelentes grupos de pesquisa que fazem parte deste instituto recentemente criado.
• Laboratório de Biomecânica Neuromuscular da Universidade de Stanford. A equipe de Scott Delp dirige o Centro de Excelência em Mobilização de Grandes Dados para o Conhecimento dos Institutos Nacionais de Saúde e o Centro Nacional de Simulação em Pesquisa de Reabilitação do NIH, que desenvolve e mantém o software OpenSIM.
• O Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade Técnica de Eindhoven. Um dos principais departamentos de engenharia biomédica da Europa, inclui em seu corpo docente vários líderes em medicina sílica, incluindo Frans van de Vosse, Cees Oomens, Keita Ito, e Dan Bader.

Em medicina sílica: Principais realizações

A U.S. Food and Drug Administration (FDA) aprova o T1DMS o primeiro modelo de diabetes tipo I em silico como um possível substituto para testes pré-clínicos em animais para novas estratégias de controle em Diabetes Mellitus Tipo 1, a ser usado em tecnologias de pâncreas artificial.