DigiLoCs技術で薬物検査を進める
DigiLoCsは薬物テストの予測を改善して、安全性と効果を高めるんだ。
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薬のテストは新しい医薬品を開発する上で大きな課題なんだ。お金がめっちゃかかるし、薬が人間にどう働くかを正確に予測できないことが多い。プロセスの中で重要な部分は、新しい薬が初めてテストされるときの適切な投与量を見つけること。つまり、科学者たちは肝臓が薬をどれくらい早く分解するかや、薬が人間の体の中でどう働くかを慎重にチェックする必要があるんだ。
従来、科学者たちは肝臓の細胞や肝臓の機能を模したミニシステムを使って薬の処理を研究してた。これらの方法から得られたデータは、薬が体からどれくらい早く排出されるかを理解するのに役立つんだけど、基本的な方法は人間における薬の挙動を正確に予測することができないことが多いんだ。
新しい技術
最近、マイクロ生理学システムやオルガン・オン・チップのような新しい技術が導入された。これらのシステムは小さくて、人間の臓器の機能を従来の方法よりもずっとよく模倣できる。薬が体に吸収され、分布し、分解され、排出される過程を研究しながら、潜在的な有害な影響も調べることができるんだ。これらの新しいシステムはより関連性のあるデータを生み出すけど、実際の人間の状況で薬がどう働くかを予測するのはまだ難しい。
現在使われているデータ分析の方法は、これらの新しいシステムの複雑さを考慮していない古いアプローチと似ている。新しいシステムが人間らしくないのか、それとも古い分析方法が薬の挙動を正確に予測できていないのかはまだ不明だ。
これらの課題に対する一つの解決策は、デジタルツインフレームワークを作ること。これにより、複雑な生物学をよりよく表現するための高度な数学モデルを利用して、薬が人間でどう働くかの予測を改善する手助けができる。
研究について
この研究の主な目標は、新しいオルガン・オン・チップやマイクロ生理学システムから得られたデータを統合するデジタルツールを作ることだった。このツールは、薬が人間の体からどれくらい早く排出されるかについて、より良い予測を提供することを目指してる。DigiLoCsというソフトウェアツールが開発されて、これらの新しいシステムで何が起こるかをより正確に説明することができる。
DigiLoCsは、薬が体内でどう処理されるかの情報、例えば排出率や肝臓内のさまざまなエリアでの薬の動きを使ってる。このツールは、代謝のようなアクティブなプロセスと、薬が細胞に移行する様子のようなパッシブなプロセスを分けるのに役立つ。これは、現在の方法がすべてを一つのシンプルなプロセスにまとめがちなことからの転換だ。
データと方法
この研究では、32種類の異なる薬について、さまざまな肝臓・オン・チップシステムやラボで育てた肝臓スフィアを使ってどう処理されたかを調べた。DigiLoCsと他の従来の予測方法との間で結果を比較して、どのアプローチがうまく機能するかを見たんだ。
DigiLoCsツールはオープンソースのプログラミング言語を使用して開発されていて、既存の薬物動態モデルと簡単に通信できる。つまり、研究者たちは現在の実践と並行して使えるから、重大な混乱を引き起こさないんだ。周囲のメディアや細胞内での薬の濃度を測定することで、研究者たちは予測の精度を向上させることができる。
DigiLoCsは、薬がシステムを通ってどう動くかを説明するために、区分モデルを使ってる。つまり、このモデルは、供給メディアや細胞内部のような異なるエリアを考慮して、薬の分布や処理の過程を時間を追って追跡するんだ。
ツールの実装
DigiLoCsは、薬が肝細胞とどう相互作用するかを反映するように設計されている。このツールは、薬が細胞に入る速さや、内部にいるときにどれだけの薬が結合していないかの情報を取り入れてる。これは、結合していない部分だけが細胞によって代謝されるから重要なんだ。
このソフトウェアは、薬の性質、例えばどれだけ脂溶性(脂肪好性)であるか、分子量、そして薬の挙動に影響を与える他の要因を計算するためのさまざまな確立された方法を利用してる。これにより、DigiLoCsは薬が人間の体でどのように働くかを予測するのがより効果的になるんだ。
DigiLoCsの結果
DigiLoCsを使って、研究者たちは32種類の異なる薬についてシミュレーションを行い、予測された薬の排出率と実際に人間で観察された率を比較した。その結果、DigiLoCsは従来の方法に比べて、はるかに正確な予測を提供したことが示された。
薬のプロプラノロールを使ったテストケースでは、DigiLoCsは実際の人間のデータと密接に一致した。これは、従来の方法が薬のパフォーマンスを大幅に過小評価してたため、実際のシナリオで潜在的なリスクや効果的な投与ができなかったことから重要だったんだ。
感度分析
研究の重要な部分は、DigiLoCsの出力がさまざまな入力パラメータにどれだけ敏感かを分析することだった。つまり、研究者たちは、薬の透過性やどれだけの薬が結合しているかのような特定の要因を変えることで、予測された結果にどのように影響を与えるかを見たんだ。
分析の結果、薬が内皮層を通過する速さや肝臓の表面積などの特定の要因が、モデルが薬の挙動をどれだけ正確に予測できるかに大きな役割を果たすことがわかった。これらの感度を理解することは、モデルを洗練させ、その予測能力を高めるために重要なんだ。
人間の薬の挙動への翻訳
研究はまた、オルガン・オン・チップシステムから得られた結果を実際の人間における薬の働きの予測にどう翻訳するかに焦点を当ててた。そのため、研究者たちはDigiLoCsから推定された排出値を取り、人間の薬物動態モデルで使用した。このモデルは、薬が人間の体に吸収され、分布し、分解され、排出される過程をシミュレートするんだ。
プロプラノロールを例に取って、研究者たちはDigiLoCsを使うことで薬の挙動の予測が従来の方法よりも良くなることを示した。DigiLoCsからの結果は、観察データとより正確に一致しただけでなく、薬の投与に関する不確実性を減少させたんだ。
結論
DigiLoCsの開発は、薬が人間の体でどう働くかを理解する上で大きな進展を示している。複雑な生物学データと高度な計算モデルを組み合わせることで、研究者たちは従来の方法では難しかった人間の薬の挙動をより正確に予測できるようになるんだ。この研究は、薬の開発において重要な進展であるだけでなく、動物実験への依存を減らすことも目指してて、全体的なプロセスをより持続可能にすることを目指してる。DigiLoCsは、製薬研究のための貴重なツールとして、より効果的で安全な医薬品を提供する可能性を秘めてる。
技術が進化し続けるにつれて、デジタルツインアプローチは肝臓の代謝を超えて、薬が異なる臓器とどう相互作用するかの分野にも広がる可能性がある。この研究の約束は、薬の開発方法を変革し、人間の健康結果へのより信頼性のある道を提供する能力にあるんだ。
タイトル: DigiLoCS: A Leap Forward in Predictive Organ-on-Chip Simulations
概要: Digital twins, driven by data and mathematical modelling, have emerged as powerful tools for simulating complex biological systems. In this work, we focus on modelling the clearance on a liver-on-chip as a digital twin that closely mimics the clearance functionality of the human liver. Our approach involves the creation of a compartmental physiological model of the liver using ordinary differential equations (ODEs) to estimate pharmacokinetic (PK) parameters related to on-chip liver clearance. The objectives of this study were twofold: first, to predict human clearance values, and second, to propose a framework for bridging the gap between in vitro findings and their clinical relevance. The methodology integrated quantitative Organ-on-Chip (OoC) and cell-based assay analyses of drug depletion kinetics and is further enhanced by incorporating an OoC-digital twin model to simulate drug depletion kinetics in humans. The in vitro liver clearance for 32 drugs was predicted using a digital-twin model of the liver-on-chip and in vitro to in vivo extrapolation (IVIVE) was assessed using time series PK data. Three ODEs in the model define the drug concentrations in media, interstitium and intracellular compartments based on biological, hardware, and physicochemical information. A key issue in determining liver clearance appears to be the insufficient drug concentration within the intracellular compartment. The digital twin establishes a connection between the hardware chip structure and an advanced mapping of the underlying biology, specifically focusing on the intracellular compartment. Our modelling offers the following benefits: i) better prediction of intrinsic liver clearance of drugs compared to the state-of-the-art model and ii) explainability of behaviour based on physiological parameters. Finally, we illustrate the clinical significance of this approach by applying the findings to humans, utilising propranolol as a proof-of-concept example. This study stands out as the biggest cross-organ-on-chip platform investigation to date, systematically analysing and predicting human clearance values using data obtained from various in vitro liver-on-chip systems. Author summaryAccurate prediction of in vivo clearance from in vitro data is important as inadequate understanding of the clearance of a compound can lead to unexpected and undesirable outcomes in clinical trials, ranging from underdosing to toxicity. Physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model estimation of liver clearance is explored. The aim is to develop digital twins capable of determining better predictions of clinical outcomes, ultimately reducing the time, cost, and patient burden associated with drug development. Various hepatic in vitro systems are compared and their effectiveness for predicting human clearance is investigated. The developed tool, DigiLoCs, focuses explicitly on accurately describing complex biological processes within liver-chip systems. ODE-constrained optimisation is applied to estimate the clearance of compounds. DigiLoCs enable differentiation between active biological processes (metabolism) and passive processes (permeability and partitioning) by incorporating detailed information on compound-specific characteristics and hardware-specific data. These findings signify a significant stride towards more accurate and efficient drug development methodologies.
著者: Christian Maass, M. R. Aravindakshan, C. Mandal, A. Pothen
最終更新: 2024-03-29 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.28.587123
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.28.587123.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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