Kui kasvaja on suutnud elusolendi ajju pesitseda, on ta – kasvaja seisukohalt – väga osavalt toimetanud. Ta on end peitnud ühe kõige võimsama barjääri taha, millega keha oma tähtsamaid organeid kaitseb: vere-aju barjäär, väga selektiivne filter, mis laseb läbi ainult valitud aineid. Enamik ravimeid sinna ei kuulu. Meditsiinile on seetõttu suur väljakutse leida tõhus keemiaravimeetod ajukasvajate vastu.
Viimastel aastatel on meditsiiniline uurimistöö leidnud paljulubava toetaja: nanotehnoloogia. Nanomaterjalid võivad, piltlikult öeldes, võtta endale postiljoni rolli, jaotades toimeaineid soovitud aadressile. Kuna nanoosakesed on kujuteldamatult väikesed – umbes 500 korda väiksemad kui inimese juuksekarva läbimõõt – suudavad mõned neist läbida keha kaitsebarjääre, neid kahjustamata. Näiteks ajukasvajaga: nanoosakesed võivad viia kemoterapeutilisi toimeaineid vere-aju barjääri kaudu ajju, kus need saavad ajukasvajat rünnata.
Sobiva
nanomaterjali otsinguil
Siiski peavad nanoosakesed vastavalt oma ülesandele omama kindlaid omadusi: sõltuvalt kujust,
materjalist ja suurusest jaotuvad need kehas erinevalt ja kogunevad erinevatesse organitesse.
Oluline on seetõttu kindlaks teha, millised osakesed täidavad oma ülesannet kõige paremini ja
põhjustavad võimalikult vähe kahju. Seni on teadlased kasutanud loomamudeleid, enamasti hiiri, et
nendele küsimustele vastuseid leida: nad manustasid hiirtele mitmesuguseid nanomaterjale ja uurisid,
kuidas need hiire kehas jaotuvad ja milliseid kõrvaltoimeid nad omavad. Need loomkatsed on aga
mitte ainult keerulised, aeganõudvad ja kallid, vaid ka eetiliselt keerulised. Pole ime, et Šveitsi
loomakaitse seadus nõuab kasutatavate loomkatsete arvu piiramist miinimumini.
TI-hiir
otsustava eelisega
Empa teadlane Jimeng Wu, doktorant "Nanomaterials in Health" ja "Technology and Society"
osakondades, on seetõttu välja töötanud virtuaalse hiire, mis võimaldab neid teste TI abil palju
säästlikumalt läbi viia. Selle nii nimetatud füsioloogiliselt põhineva farmakokineetilise mudeli (PBPK-
mudeli) jaoks kasutas Wu 18 hiireuuringut ehk erinevate uurimisgruppide katseid “päris” hiirtega.
Täiendavalt integreeris ta oma mudelisse statistilise meetodi, Bayesiaanliku analüüsi Markovi ahela
Monte Carlo simulatsioonidega.
Tulemuseks on virtuaalne hiir, millele saab – samuti virtuaalselt – manustada nanoosakesi. Seejärel arvutab mudel nende jaotumise hiire kehas nende omaduste, nagu suurus, kattematerjal ja pinnalaeng, põhjal. Traditsioonilise PBPK-mudeliga, mis on kalibreeritud ainult ühele ainele, on Wuli TI-hiirel otsustav eelis: "Mudel suudab kohandada oma parameetreid vastavalt iga nanoosakese mõõdetavatele omadustele," selgitab Jimeng Wu. See võime tuleneb vahendist, mida nimetatakse "multivariatiivseks lineaarseks regressioonimudeliks", masinõppe lähenemisviis.
Panus „Kavandatud turvalisuse ja jätkusuutlikkuse“ juurde
„See TI-põhine sõelumisvahend võimaldab teadlastel virtuaalselt testida, millised nanoosakeste
tüübid on sobivaimad konkreetseks ülesandeks, enne kui nad neid osakesi üldse loovad,“ lisab
Jimeng Wu. See säästab mitte ainult aega, vaid ka kulusid, sest see pakub abivahendit otsuste
vastuvõtmiseks, enne kui algab kallis kliiniline uuring.
„Sellega annab mudel oma panuse 'Kavandatud turvalisuse ja jätkusuutlikkuse' (SSbD) kontseptsiooni," täiendab Peter Wick, kes juhendab Jimeng Wud koos kolleegi Bernd Nowackiga doktoritöös. Kuna virtuaalne hiir suurendab uute materjalide või raviainete turvalisust juba enne nende väljatöötamist. Siiski hoiatab Empa teadlane, et andmestik, millega mudelit siiani on koolitatud, on veel väga väike: seni on olnud kättesaadavad ainult 18 "reklapeeritud artiklit", mille andmete kvaliteet on olnud piisav. "Paljudes uuringutes ei kirjeldata kasutatavate nanoosakeste omadusi piisavalt," märgib ta. Nüüd on vaja virtuaalset hiirt täiendada täiendavate uurimisandmetega ja valideerida, et veelgi suurendada prognooside usaldusväärsust. "Meie kauge eesmärk on lühendada nanomeditsiiniliste materjalide arendamise protsessi nende rakendamisest patsiendi ravimina ja samas oluliselt vähendada loomkatsete kasutamist," rõhutab ta.
Mudeli kasutamine inimlikus uurimises
Jimeng Wu tulevane uurimistöö keskendub veel nn “silla strateegiale”, et kanda oma in silico-mudelit
edasi inimlikule uurimistööle. Selleks kavatseb ta virtuaalse hiire printsiibid integreerida inimese
PBPK-mudelisse. Erinevalt tema TI-hiirest, mis arvutab ainult nanoosakeste jaotumist maksas,
neerudes, kopsudes ja põrnas, võiks inimsilico mudel kasutada ka sihtorganite uurimiseks – näiteks
uurida, mil määral erinevad nanoosakesed suudavad vere-aju barjääri ületada. Ka lähtepunkti
mainitud ajukasvaja ei tunneks end selle barjääri taga enam turvaliselt – nanoosakesed võiksid talle
postiljoni rollis tuua pakikese sihitud keemiaravi doosiga.
Meediakontakt:
Mirjam Schwaller
Kommunikatsioon
Tel. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch