Inteligentne odkrywanie leków za pomocą hybrydowych urządzeń neuronowo-komputerowych
Droga od odkrycia nowego leku do jego zatwierdzenia jest długa i kosztowna, często wymaga lata badań naukowych, wielu badań klinicznych i nadzoru regulacyjnego. Wraz z nowymi osiągnięciami technologicznymi, takimi jak sztuczna inteligencja i wysokowydajne badania przesiewowe, proces odkrywania leków ewoluuje. Nadal jednak istnieje potrzeba udoskonalenia funkcjonalnych testów przesiewowych. Chociaż komórki hodowane in vitro dostarczają ważnych informacji na temat funkcjonalnego wpływu związku, nie odzwierciedlają one interakcji między komórkami w tkankach macierzystych. Jest to szczególnie problematyczne w przypadku modelowania chorób mózgu, gdzie hodowanym neuronom brakuje naturalnych połączeń synaptycznych odpowiedzialnych za aktywność sieci neuronalnej.
Hybrydowe urządzenie neuronowo-komputerowe
Finansowany ze środków UE projekt NEUREKA ma na celu przezwyciężenie tych wyzwań i opracowanie biofizycznego modelu, który odtwarzałby połączenia neuronalne in vitro. Kluczowym celem było radykalne ulepszenie sposobu, w jaki badamy i identyfikujemy potencjalnych kandydatów na leki, szczególnie w przypadku chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona. „Nasz hybrydowy system oferuje to, co najlepsze z obu światów: łączy biologiczne neurony na chipie z symulowanymi sieciami, umożliwiając komunikację w czasie rzeczywistym między żywymi tkankami nerwowymi a sztucznymi systemami obliczeniowymi” — wyjaśnia koordynatorka projektu Yiota Poirazi. Zgodnie z jej wyjaśnieniami platforma NEUREKA składa się z trzech elementów: macierzy mikro- lub nanoelektrod (MEA lub NEA), kultury neuronalnej, która jest hodowana na wierzchu MEA oraz modelu sieci obliczeniowej, który wykazuje deficyty choroby Alzheimera (AlzModel). AlzModel stymuluje MEA do kierowania wybranymi stanami aktywności w hodowanych neuronach. Aktywność ta jest następnie przekazywana z powrotem do AlzModel, w wyniku czego powstaje hybrydowa populacja neuronów obliczeniowo-biologicznych.
Biofizyczny model choroby Alzheimera do badań przesiewowych leków
Związki chemiczne mogą być dodawane do platformy NEUREKA w celu oceny ich wpływu na aktywność i profil molekularny hodowanych neuronów, aby złagodzić deficytów chorobowych. Biologiczne neurony działają jak „biosensory”, reagując na te związki i przekazując informacje do urządzenia obliczeniowego, które przetwarza dane. „Najbardziej znaczącym osiągnięciem była zdolność do wywoływania stanów aktywności związanych z chorobą w hodowanych neuronach. Zgodnie z naszą wiedzą, żadna z istniejących technologii in vitro nie może zapewnić tak realistycznego środowiska do badań przesiewowych leków” — podkreśla Poirazi. Wstępne eksperymenty ze znanymi lekami na chorobę Alzheimera, takimi jak memantyna i kwas walproinowy, przyniosły obiecujące wyniki, torując drogę do wykorzystania dużych bibliotek związków w celu dalszej walidacji skuteczności platformy w zakresie badań przesiewowych.
Wpływ na odkrywanie leków i nie tylko
Hybrydowe urządzenie neuronowo-komputerowe NEUREKA reprezentuje nowy, odważny kierunek w dziedzinie odkrywania leków. Platforma jest wyjątkowa pod względem możliwości skutecznego kontrolowania, modulowania i odczytywania połączeń neuronalnych oraz aktywności hodowanych neuronów w bardziej realistycznych warunkach chorobowych. W związku z tym oferuje model tkanki neuronalnej o większej zdolności przewidywania niż konwencjonalne hodowle komórkowe. Może to prowadzić do szybszego wprowadzania na rynek skuteczniejszych leków, szczególnie w dziedzinie chorób neurodegeneracyjnych, w których rozpaczliwie potrzebne są opcje leczenia. Co więcej, NEUREKA ma potencjał do przekształcenia medycyny spersonalizowanej. „Wykorzystując w procesie testowania neurony pochodzące od pacjentów, platforma może pomóc w identyfikacji najskuteczniejszych metod leczenia dla danej osoby w oparciu o jej unikalną «konstrukcję» biologiczną” — podsumowuje Poirazi. Takie spersonalizowane podejście może zrewolucjonizować sposób leczenia zaburzeń neurologicznych, zapewniając pacjentom terapię dostosowaną do ich konkretnych potrzeb.
Słowa kluczowe
NEUREKA, odkrywanie leków, neurony, model obliczeniowy, model biofizyczny, choroba Alzheimera, badania przesiewowe leków
