Quan un tumor aconsegueix instal·lar-se en el cervell d'un ésser viu, des de la perspectiva del tumor, ho ha fet de manera especialment hàbil. S'ha amagat darrere d'una de les barreres més poderoses amb les que el cos protegeix els seus òrgans més importants: la barrera hematoencefàlica, un filtre molt selectiu que només permet passar a substàncies seleccionades. La majoria dels medicaments no formen part d'aquestes substàncies, per tant, és un gran repte per a la medicina trobar una quimioteràpia eficaç contra els tumors cerebrals.
En els darrers anys, la recerca mèdica ha trobat una aliada prometedora: la nanotecnologia. Els materials a escala nanomètrica poden, figurativament, assumir el paper de carters que lliuren agents actius a la destinació desitjada. Ja que les nanopartícules són inimaginablement petites, aproximadament 500 vegades més petites que el diàmetre d'un cabell humà, algunes aconsegueixen travessar les barreres de protecció del cos sense danyar-les. Mantenint-nos en l'exemple del tumor cerebral: les nanopartícules podrien transportar agents quimioterapèutics a través de la barrera hematoencefàlica fins al cervell, on podrien lluitar contra el tumor cerebral.
Cerca del nanomaterial
adequat
Tanmateix, segons la tasca que s'hagi de complir, les nanopartícules han de presentar
característiques molt específiques: segons la forma, composició del material i grandària, es
distribueixen de manera diferent en el cos i s'acumulen en diferents òrgans. Per tant, cal descobrir
quines partícules compleixen millor la seva tasca sense causar danys. Fins ara, els investigadors han
utilitzat models animals, principalment ratolins, per explorar aquestes qüestions: van administrar
diversos nanomaterials als ratolins i posteriorment van estudiar com es distribuïen en el cos del ratolí
i quins efectes secundaris tenien. Aquests estudis amb animals no només són costosos, llargs i cars,
sinó també problemàtics des d'un punt de vista ètic. No és estrany que la llei de protecció animal de
Suïssa exigeixi limitar el nombre d'experiments amb animals al mínim necessari.
Ratolí IA
amb un avantatge decisiu
La investigadora de l'Empa, Jimeng Wu, doctoranda als departaments de «Nanomaterials en Salut» i
«Tecnologia i Societat», ha desenvolupat un ratolí virtual on es poden realitzar aquestes proves de
manera molt més eficient amb l'ajuda de la IA. Per a aquest model farmacocinètic basat en la
fisiologia (model PBPK), Wu ha pres com a base 18 estudis amb ratolins, és a dir, dades
d'experiments de diversos equips d'investigació amb ratolins «reals». A més, ha integrat en el seu
model un mètode estadístic, l'anàlisi bayesiana amb simulacions de la cadena de Markov.
El resultat és un ratolí virtual al qual se li poden administrar nanopartícules virtuals. Després, el model calcula la distribució d'aquestes partícules en el cos del ratolí en funció de les seves característiques com la mida, recobriment i càrrega superficial. En comparació amb un model PBPK tradicional, que es calibra només per a una única substància, el ratolí IA de Wu té un avantatge decisiu: «El model pot ajustar els seus paràmetres a les característiques mesurables de cada nanopartícula individual», explica Jimeng Wu. Aquesta capacitat es deu a la utilització del «model de regressió lineal multivariant», un enfocament de l'aprenentatge automàtic.
Aportació a «Disseny Segur i
Sostenible»
«Aquest instrument de cribat assistit per IA permet als investigadors provar de manera virtual quin
tipus de nanopartícules són més adequades per a una tasca específica, abans fins i tot de produir
aquestes partícules», explica Jimeng Wu. Això no només estalvia temps, sinó també costos, ja que
ofereix una eina de decisió abans que es comenci un estudi clínic costós.
«Així, el model contribueix al concepte de «Disseny Segur i Sostenible» (SSbD), complementa Peter Wick, qui supervisa el doctorat de Jimeng Wu juntament amb el seu col·lega Bernd Nowack. La ratolí virtual augmenta la seguretat de nous materials o teràpies abans de la seva desenvolupament. No obstant això, l'investigador de l'Empa adverteix que el conjunt de dades amb el qual s'ha entrenat el model fins ara és encara molt petit: fins ara només s’han trobat 18 articles revisats per iguals amb una qualitat de dades suficient. «En molts estudis, les característiques de les nanopartícules utilitzades no es descriuen adequadament», assenyala. Ara cal alimentar i verificar el ratolí virtual amb dades d'estudis addicionals per millorar la fiabilitat de les prediccions. «El nostre objectiu a llarg termini és escurçar el procés del desenvolupament de materials nanomedicinals fins a la seva aplicació com a medicament en la pacient o el pacient, i idealment fer-ho sense experiments amb animals», subratlla.
Fer el model útil per a la recerca humana
El treball de recerca futur de Jimeng Wu també es centrarà en una estratègia de «construcció de
ponts» per transferir el principi del seu model in silico a la recerca humana. Per a això, planeja
incorporar els principis del ratolí virtual a un model PBPK humà. A diferència del seu ratolí IA, que
només calcula la distribució de nanopartícules al fetge, ronyons, pulmons i melsa, un model in silico
humà podria utilitzar-se també per investigar òrgans objectiu sensibles, per exemple, per comprendre
fins a quin punt determinades nanopartícules poden superar la barrera hematoencefàlica. D'aquesta
manera, el tumor cerebral esmentat al principi ja no se sentiria segur darrere d'aquesta barrera: les
nanopartícules podrien portar-li un paquet amb una dosi precisa de quimioteràpia en el paper de
«carters».
Contacte amb els mitjans:
Mirjam Schwaller
Comunicació
Tel. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch