Medicina in silico: Definiție, istorie, instituții, realizări principale

• Despre Insigneo
• Medicină in silico: Definiție, istoric, instituții, realizări principale
• Institutul Insigneo: Viziune, misiune, valori, istorie, organizare
• Membrii consiliului de administrație al Insigneo

Ce înseamnă medicina in silico?

În biologie, studiile pot fi efectuate in vivo (în latină pentru „în interiorul celor vii”), pe organisme întregi, vii, fie că este vorba de plante, animale sau oameni, spre deosebire de in vitro, pe materie vie – microorganisme, celule, țesuturi, organe – în interiorul unei îngrădiri artificiale, fie că este vorba de o eprubetă, o farfurie de cultură sau un incubator. Cipurile computerelor sunt fabricate din siliciu, astfel încât in silico, „în interiorul siliciului”, indică studii efectuate cu ajutorul modelării și simulării pe calculator.

Medicina in silico (cunoscută și sub numele de „medicină computațională”) indică tehnologiile de modelare și simulare care contribuie în mod direct la prevenirea, diagnosticarea, prognosticul, planificarea & executării tratamentului sau gestionarea bolilor. Tehnologiile de medicină in silico oferă predicții specifice subiectului pentru mărimi care sunt dificil sau imposibil de măsurat în mod direct, dar care sunt importante pentru a sprijini deciziile medicale cu privire la un pacient.

De exemplu, un model computerizat specific subiectului, generat pe baza datelor de imagistică prin rezonanță magnetică, poate prezice cu mult mai multă acuratețe dacă o persoană este afectată de hipertensiune pulmonară. Un alt model computerizat specific subiectului, bazat pe imagini fluoroscopice, poate furniza informații esențiale pentru a decide cel mai bun tratament pentru pacienții cu stenoză coronariană, care, în mod normal, poate fi măsurată doar printr-o procedură invazivă pe care puține spitale din Marea Britanie o pot efectua.

Un scurt istoric al medicinei in silico

Fiziologia are o tradiție îndelungată, care datează în special din activitatea lui Claude Bernard în secolul al XIX-lea, de cercetare cantitativă a relațiilor structură-funcție care stau la baza proceselor fiziologice și a practicii medicale.

Această tradiție a pus accentul pe integrarea cunoștințelor multidisciplinare prin utilizarea legilor fizice și a matematicii, chiar dacă la un nivel simplu, pentru a înțelege procesele complexe ale vieții. Cu toate acestea, odată cu elucidarea bazelor genetice și moleculare ale vieții, cercetarea biomedicală din a doua jumătate a secolului al XX-lea s-a îndepărtat în mare măsură de fiziologie și s-a îndreptat spre biologia moleculară. Dar, începând cu începutul anilor ’90, cercetătorii biomedicali au început să pledeze împotriva reducționismului excesiv al biologiei moleculare, observând că aceasta neglija complet interacțiunile complexe dintre celule, țesuturi și organe, precum și rolurile jucate de stilul de viață, nutriție și mediu.

În 1993, Uniunea Internațională a Științelor Fiziologice (IUPS) a recunoscut această dihotomie și a înființat Proiectul Fiziomului pentru a introduce abordări și tehnologii inginerești în științele fiziologice. Proiectul s-a dezvoltat într-un cadru pentru fiziologia computațională care este încă în curs de perfecționare.

În timpul celui de-al șaselea program-cadru pentru cercetare și dezvoltare tehnologică (FP6, 2002-2006), Comisia Europeană (CE) a finanțat proiecte în care au fost utilizate metode de fiziologie computațională, biofizică și biomecanică pentru a aborda probleme relevante din punct de vedere clinic. Cu toate acestea, în ciuda expertizei disponibile, a existat sentimentul că Europa „pierdea trenul”: IUPS a aprobat în mod oficial proiectul IUPS Physiome Project în 1993, dar impulsul a fost dat în principal în Noua Zeelandă, Japonia și Statele Unite. De asemenea, în aprilie 2003, a fost înființat Grupul de analiză și modelare interagenții din SUA (IMAG); acesta a coordonat personalul de program de la National Institutes of Health (NIH) și National Science Foundation (NSF) care a gestionat proiecte în acest domeniu în creștere. La 1 iunie 2005, un mic grup de cercetători s-a întâlnit cu funcționari din cadrul CE în cadrul unui atelier de lucru al experților la Barcelona. În urma acestei întâlniri, în noiembrie, a fost publicată o carte albă în care, pentru prima dată, a fost folosit termenul „Virtual Physiological Human” (VPH).

În 2007, peste 200 de experți din întreaga lume au contribuit la raportul „Seeding the Europhysiome”, o foaie de parcurs pentru cercetare care a pregătit terenul pentru dezvoltarea VPH.

În 2008, PricewaterhouseCoopers a publicat un raport intitulat „Pharma 2020: Virtual R&D – Which path will you take?”, care sugera că actualul model de afaceri al industriei farmaceutice era nesustenabil și că ciclul de inovare necesită o schimbare drastică, inclusiv adoptarea masivă a tehnologiilor in silico.

În 2010 a început un proces constituțional care avea să vadă înființat, un an mai târziu, Institutul VPH pentru cercetare biomedicală integrativă ca organizație internațională fără scop lucrativ, care reprezintă și astăzi întreaga comunitate de cercetare din întreaga lume.

În 2011, Grupul de lucru pentru afaceri politice al Institutului VPH a elaborat o declarație de poziție privind experimentarea pe animale, susținând teza conform căreia principiile tehnologiilor de modelare virtuală furnizate de VPH ar putea fi aplicate la experimentarea pe animale, contribuind astfel la reducerea numărului de animale utilizate în cercetare. De asemenea, într-un document de poziție privind viitorul program-cadru H2020, sunt stabilite cele trei obiective pentru tehnologiile de medicină in silico:

1. Pacientul digital – VPH pentru medic; modelarea specifică pacientului pentru a sprijini deciziile medicale. A se vedea foaia de parcurs Discipulus pentru mai multe detalii.
2. Studii clinice in silico – VPH pentru industria biomedicală; colecții de modele specifice pacientului pentru a spori evaluarea preclinică și clinică a noilor produse biomedicale; tehnologii in silico pentru reducerea, perfecționarea și înlocuirea parțială a experimentelor pe animale și pe oameni. A se vedea foaia de parcurs Avicenna pentru mai multe detalii.
3. Personal Health Forecasting – VPH pentru pacient/cetățean; simulări specifice subiectului, bazate pe datele pacientului – inclusiv cele colectate de senzori purtabili și de mediu – care oferă sfaturi persoanelor afectate de afecțiuni care necesită autogestionare sau persoanelor care riscă să dezvolte boli. A se vedea un interviu cu profesorul Viceconti (fost director executiv al Insigneo) pe această temă.

În toamna anului 2011 a fost propusă dezvoltarea unui nou institut de cercetare dedicat cercetării VPH în Sheffield, iar în mai 2012 institutul Insigneo a fost deschis pentru aderare. Pentru mai multe informații, vă rugăm să consultați secțiunile referitoare la: Despre Insigneo și Institutul Insigneo: Misiune, Viziune, Istoric, Organizare.

Rolul medicinei in silico în cadrul cercetării biomedicale

Publicarea în 1823 a primului număr al revistei Lancet a marcat în mod simbolic momentul din secolul al XIX-lea în care a început revoluția cercetării biomedicale. Din această expansiune, cercetarea biomedicală modernă a continuat să se organizeze în jurul a trei paradigme destul de diferite, fiecare încercând să facă față complexității imposibile a corpului uman:

• Cercetarea biologică celulară și moleculară, condusă de o agendă agresiv reducționistă, care se concentrează pe subunități mici ale sistemului;
• Cercetarea clinică, care tratează în mare măsură corpul uman ca pe o cutie neagră și se bazează predominant pe analiza statistică a observațiilor empirice;
• Cercetarea fiziologică, care încearcă să investigheze corpul uman urmând abordarea tipică științelor fizice și inginerești.

Cea de-a treia abordare, zădărnicită de limitările dramatice ale calculului și instrumentarului din secolul al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, a fost, până de curând, cea mai puțin reușită dintre cele trei, iar importanța sa a fost puțin luată în considerare. Două evenimente, credem noi, schimbă acest scenariu.

Primul este progresul dramatic pe care științele fizice și inginerești l-au determinat, în jurul instrumentarului biomedical. Folosind raze X, câmpuri magnetice și ultrasunete putem acum să imaginăm interiorul corpului uman cu o acuratețe remarcabilă; analizoarele chimice automate, spectroscoapele și secvențiatoarele oferă o biochimie de mare capacitate care deschide posibilități cu totul noi; capacitățile uimitoare ale electrofiziologiei moderne ne oferă detalii despre funcționarea inimii, a mușchilor și a creierului; captarea mișcării, dinamometria și senzorii purtabili oferă o imagine detaliată a biomecanicii mișcării umane. Pe scurt, astăzi putem colecta o vastă bibliotecă de date cantitative despre fiecare pacient în parte, care descrie în detaliu semnificativ anatomia, fiziologia, biochimia, metabolismul și multe altele.

Al doilea este sofisticarea uimitoare a calculului, datorită progreselor în matematică, știința și ingineria calculatoarelor, precum și a hardware-ului și software-ului modern pentru a îmbunătăți modelarea și simularea. Această evoluție este crucială deoarece, pentru prima dată, putem rezolva un număr enorm de ecuații matematice complexe care pot descrie cantitativ multe procese fiziologice și patologice. Avem acum mijloacele de a măsura sau de a calcula cam tot ceea ce este necesar pentru evaluarea completă a fiecărui pacient în parte.

Totuși, o provocare cu organismele vii complexe este faptul că acestea sunt dramatic de încurcate, astfel încât funcționarea oricăreia dintre părți nu poate fi cu adevărat presupusă ca fiind independentă de toate celelalte. O mare parte a cercetării biologice ocolește această problemă, invocând reducționismul, iar cercetarea clinică o ocolește complet, ignorând orice încercare de a căuta explicații mecaniciste detaliate. Dar o agendă de cercetare biomedicală bazată pe metodele științelor fizice și inginerești trebuie să se confrunte cu această complexitate; iar acest lucru este posibil numai dacă folosim metode matematice și computaționale pentru a formula teoriile noastre și pentru a compara cantitativ predicțiile acestora cu observațiile experimentale, ca mijloc principal de a le demonstra sau falsifica. Și, odată ce apare o teorie rezistentă la infirmare, modelul predictiv care stă la baza acesteia poate fi utilizat pentru a rezolva probleme relevante din punct de vedere clinic; multe dintre marile provocări ale medicinei moderne (prevenție, personalizare, participare, care, împreună cu predicția pentru viziunea unei „medicini P4” descrisă pentru prima dată de Leroy Hood) ar fi abordate cu ușurință printr-o capacitate sporită de a prezice evoluția unei boli și efectul diferitelor opțiuni de tratament pentru orice individ dat.

Prin urmare, credem că medicina in silico este principala cale prin care marii fiziologi ai generației trecute vor avea în cele din urmă dreptate, iar o știință biomedicală bazată pe metodele științei fizice și inginerești va avea din ce în ce mai mult succes. Susținem că medicina in silico reprezintă o schimbare de paradigmă în sensul propus de filozoful Thomas Kuhn, „o schimbare fundamentală a conceptelor de bază și a practicilor experimentale ale unei discipline științifice”

Instituții importante

• Institutul VPH pentru cercetare biomedicală integrativă. Aceasta este organizația internațională non-profit care reprezintă comunitatea de cercetare VPH / medicină in silico din întreaga lume.
• Institutul de bioinginerie din Auckland. Sediul proiectului IUPS Physiome, acest institut, condus de profesorul Peter Hunter, rămâne cea mai importantă instituție din domeniu la nivel mondial.
• The National Simulation Resource Physiome din cadrul University of Washington Department of Bioengineering. Echipa lui Jim Bassingthwaighte a inițiat inițiativa fiziomului cardiac și susține o serie de tehnologii esențiale, inclusiv JSIM, sistemul de simulare bazat pe Java pentru construirea și operarea modelelor numerice cantitative.
• The Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG). Din 2003, această inițiativă, condusă de Dr. Grace Peng, coordonează toate agențiile federale de finanțare din SUA care sprijină cercetarea în domeniul modelării și simulării în științele vieții și în cercetarea biomedicală.
• The Center for Advanced Medical Engineering and Informatics. Inițiat în 2004 de către Centrul Global de Excelență în medicina in silico și finanțat de guvernul japonez sub conducerea profesorului Kurachi, acesta este un centru de referință în Japonia.
• The Institute for Computational Medicine at John Hopkins University. Laboratorul Nataliei Trayanova este doar unul dintre grupurile de cercetare excelente care fac parte din acest institut recent înființat.
• Laboratorul de biomecanică neuromusculară de la Universitatea Stanford. Echipa lui Scott Delp conduce National Institutes of Health Big Data to Knowledge Mobilize Center of Excellence și NIH National Center for Simulation in Rehabilitation Research, care dezvoltă și întreține software-ul OpenSIM.
• Departamentul de Inginerie Biomedicală de la Universitatea Tehnică din Eindhoven. Unul dintre cele mai bune departamente de inginerie biomedicală din Europa, acesta include în personalul său profesoral mai mulți lideri în medicina in silico, printre care Frans van de Vosse, Cees Oomens, Keita Ito și Dan Bader.

In Silico Medicine: Principalele realizări

Administrația americană pentru alimente și medicamente (FDA) aprobă T1DMS, primul model in silico de diabet zaharat de tip I, ca posibil substitut al testelor preclinice pe animale pentru noi strategii de control în diabetul zaharat de tip 1, pentru a fi utilizat în tehnologiile pancreasului artificial.

.