Om en tumör har lyckats boa sig i en varelses hjärna, har den gjort det särskilt skickligt ur tumörens synvinkel. Den har nämligen gömt sig bakom en av de mäktigaste barriärer som kroppen har för att skydda sina viktigaste organ: blod-hjärnbarriären, ett mycket selektivt filter som bara låter utvalda ämnen passera. De flesta läkemedel hör inte dit. Därför är det en stor utmaning för medicinen att finna en effektiv kemoterapi mot hjärntumörer.
Under de senaste åren har medicinsk forskning hittat en lovande stödjare: nanotekniken. Material i nanoskalan kan, bildligt talat, ta på sig rollen som brevbärare som levererar aktiva substanser till önskad plats. Eftersom nanopartiklar är ofattbart små – ungefär 500 gånger mindre än diameter på ett mänskligt hårstrå – lyckas vissa passera kroppens skyddsbarriärer utan att skada dem. För att hålla oss till exemplet med hjärntumörer: nanopartiklar skulle alltså kunna transportera kemoterapeutiska substanser över blod- hjärnbarriären in i hjärnan, där de sedan kan bekämpa tumören.
Jakten på rätt
nanomaterial
Emellertid måste nanopartiklar, beroende på den uppgift de skall utföra, ha mycket specifika
egenskaper: beroende på form, materialkomposition och storlek fördelar de sig olika i kroppen och
ackumuleras i olika organ. Därför är det väsentligt att ta reda på vilka partiklar som utför sin uppgift
bäst och orsakar så lite skada som möjligt. Hittills har forskare använt djurmodeller, vanligtvis möss,
för att undersöka dessa frågor: de administrerade olika nanomaterial till möss och undersökte sedan
hur dessa fördelade sig i musens kropp och vilka biverkningar de hade. Dessa djurstudier är dock inte
bara tidskrävande, långvariga och dyra, utan också problematiska ur etisk synpunkt. Det är ingen
slump att den schweiziska djurskyddslagen kräver att antalet använda djurförsök begränsas till ett
nödvändigt minimum.
KI-mus med avgörande fördel
Empa-forskaren Jimeng Wu, doktorand i avdelningarna ”Nanomaterials in Health” och ”Technology
and Society”, har därför utvecklat en virtuell mus, på vilken dessa tester kan utföras mycket
tidsbesparande med hjälp av AI. För denna så kallade fysiologiskt baserade farmakokinetiska modell
(PBPK-modell) har Wu använt 18 musstudier som grund, alltså data från försök av olika
forskargrupper på ”verkliga” möss. Kompletterande har hon integrerat en statistisk metod, bayesiansk
analys med Markov-kedjan Monte Carlo-simuleringar, i sin modell.
Resultatet är en virtuell mus, till vilken man – även virtuella – nanopartiklar kan administrera. Sedan beräknar modellen deras fördelning i musens kropp baserat på deras egenskaper som storlek, beläggning och ytladdning. Jämfört med en traditionell PBPK-modell, som kalibreras för endast en enda substans, har Wus KI- mus en avgörande fördel: “Modellen kan anpassa sina parametrar till de mätbara egenskaperna hos respektive nanopartikel,” förklarar Jimeng Wu. Detta verktyg tackar denna förmåga det ”multivariata linjära regressionsmodellen”, ett tillvägagångssätt för maskininlärning.
Bidrag till ”Safe and
Sustainable by Design”
“Detta AI-baserade screeningverktyg tillåter forskare att virtuellt testa vilken typ av nanopartiklar som
är bäst lämpad för en viss uppgift, innan de ens tillverkar dessa partiklar,” förklarar Jimeng Wu vidare.
Det sparar inte bara tid, utan också kostnader, eftersom det erbjuder ett beslutsstöd innan en
kostsam klinisk studie påbörjas.
“Därmed bidrar modellen till konceptet ‘Safe and Sustainable by Design’ (SSbD)”, tillägger Peter Wick, som handleder Jimeng Wu tillsammans med sin kollega Bernd Nowack under hennes doktorand. Eftersom den virtuella musen ökar säkerheten för nya material eller terapier redan innan deras utveckling. Emellertid noterar Empa-forskaren att datasetet som modellen hittills har tränats med fortfarande är mycket litet: hittills har endast 18 ”Peer-Reviewed Papers” varit tillgängliga vars datakvalitet var tillräcklig. “I många studier är egenskaperna hos de använda nanopartiklarna inte tillräckligt väl beskrivna,” påpekar han. Nu gäller det att mata den virtuella musen med ytterligare studiedata och verifiera den för att ytterligare öka tillförlitligheten i förutsägelserna. “Vårt långsiktiga mål är att förkorta processen för att utveckla nanomedicinska material fram till applikation som läkemedel för patienten, med minimal användning av djurförsök,” betonar han.
Modellen för människoforskning användbar
Jimeng Wus framtida forskningsarbete kommer dessutom att ägnas åt en så kallad “brostrategi” för
att överföra principen i hennes in silico-modell till människoforskning. För detta planerar hon att
inbädda principerna hos den virtuella musen i en mänsklig PBPK-modell. I motsats till hennes KI-
mus, som endast beräknar fördelningen av nanopartiklar i lever, njurar, lungor och mjälte, skulle en
mänsklig in silico-modell också kunna användas för att undersöka känsliga målorgan – till exempel för
att undersöka i vilken utsträckning vissa nanopartiklar kan tränga igenom blod-hjärnbarriären. Även
den inledningsvis nämnda hjärntumören borde inte längre känna sig säker bakom denna barriär –
nanopartiklar skulle kunna leverera ett paket med en riktad dos kemoterapi till den i rollen av
“brevbärare”.