Jos kasvain on onnistunut asettumaan elollisen olennon aivoihin, se on tehnyt sen – kasvaimen näkökulmasta katsottuna – erityisen taitavasti. Se on nimittäin piiloutunut yhden kehon tärkeimpiä elimiä suojaavan vahvimman esteen taakse: veri-aivoesteeseen, erittäin selektiiviseen suodattimeen, joka sallii vain valikoitujen aineiden läpäistä. Useimmat lääkeaineet eivät kuulu tähän joukkoon. Tästä syystä lääketieteelle on suuri haaste löytää tehokas kemoterapia aivokasvaimia vastaan.
Viime vuosina lääketieteellinen tutkimus on löytänyt lupaavan tukijan: nanoteknologian. Nanokokoiset materiaalit voivat kuvainnollisesti ottaa postinkantajan roolin, joka toimittaa vaikuttavat aineet haluttuun osoitteeseen. Koska nanopartikkelit ovat äärettömän pieniä – noin 500 kertaa ohuempia kuin ihmisen hius – jotkut niistä voivat läpäistä kehon suojabarrierit niitä vahingoittamatta. Pysytellessämme aivokasvain-esimerkissä: nanopartikkelit voisivat siis kuljettaa kemoterapeuttisia aineita veri-aivoesteen läpi aivoihin, missä ne voivat sitten taistella aivokasvainvastaan.
Sopivan nanomateriaalin etsintä
Kuitenkin nanopartikkelien on, tehtävän luonteen mukaan, täytettävä hyvin erityiset vaatimukset: muodon, materiaalikoostumuksen ja koon mukaan ne jakautuvat kehoon eri tavalla ja kertyvät eri elimiin. Siksi on tärkeää selvittää, mitkä partikkelit suorittavat tehtävänsä parhaiten ilman haittaa. Tähän mennessä tutkijat ovat käyttäneet eläinmalleja, useimmiten hiiriä, näiden kysymysten tutkimiseen: he antoivat hiirille erilaisia nanomateriaaleja ja tutkivat sitten kuinka ne jakautuivat hiirikehossa ja mitkä olivat niiden sivuvaikutukset. Nämä eläinkokeet eivät ole vain vaivalloisia, pitkäkestoisia ja kalliita, vaan myös eettisesti ongelmallisia. Ei syyttä Sveitsin eläinsuojelulaki vaadi rajoittamaan käytettyjen eläinkokeiden määrän tarpeelliseen minimiin.
AI-hiiri ratkaisevalla edulla
Empan tutkija Jimeng Wu, tohtorikoulutettava osastoissa 'Nanomaterials in Health' ja 'Technology and Society', on siksi kehittänyt virtuaalihiiren, johon näitä testejä voidaan suorittaa AI:n avulla huomattavasti aikaa säästäen. Tätä niin sanottua fysiologisesti perustuvaa farmakokineettisestä mallia (PBPK-malli) varten Wu on käyttänyt pohjana 18 hiiritutkimusta, eli tiedot eri tutkimusryhmien 'aitoihin' hiiriin tekemistä kokeista. Lisäksi hän on integroinut malliin tilastotieteellisen menetelmän, Bayesilaisen analyysin Markov-ketjun Monte Carlo-simuloinneilla.
Tuloksena on virtuaalihiiri, jolle voidaan antaa – niin ikään virtuaalisia – nanopartikkeleita. Sen jälkeen malli laskee niiden jakautumisen hiirikehossa ominaisuuksiensa, kuten koon, päällysteen ja pintavarauksen, perusteella. Verrattuna perinteiseen PBPK-malliin, joka kalibroidaan aina vain yhtä ainoaa ainetta varten, Wun AI-hiirellä on ratkaiseva etu: 'Malli voi mukauttaa parametrit kunkin nanohiukkasen mitattavien ominaisuuksien mukaan', selittää Jimeng Wu. Tämä kyky on työkalun ansiota 'monimuuttujaista lineaarista regressiomallia', erästä koneoppimismenetelmää.
Yhteistyössä 'Turvallinen ja kestävä suunnittelun kautta'
'Tämä AI-ohjattu seulontatyökalu mahdollistaa tutkijoille virtuaalisesti testaamisen, millainen nanohiukkasten tyyppi soveltuu parhaiten tiettyyn tehtävään ennen kuin niitä edes valmistetaan', jatkaa Jimeng Wu. Tämä säästää paitsi aikaa, myös kustannuksia, koska se tarjoaa tukena päätöksenteolle ennen kuin kallis kliininen tutkimus aloitetaan.
'Näin ollen malli antaa panoksen 'Turvallinen ja kestävä suunnittelun kautta' (SSbD) -konseptiin', lisää Peter Wick, joka ohjaa Jimeng Wu:tä tohtorintutkimuksissa yhdessä kollegansa Bernd Nowackin kanssa. Sillä virtuaalinen hiiri parantaa uusien materiaalien tai terapioiden turvallisuutta jo ennen niiden kehittämistä. Kuitenkin Empan tutkija muistuttaa, että tietojoukko, jolla mallia on tähän mennessä koulutettu, on vielä hyvin pieni: toistaiseksi vain 18 vertaisarvioitua artikkelia on löytynyt, joiden tietojen laatu on riittänyt. 'Monissa tutkimuksissa käytettyjen nanomateriaalien ominaisuuksia ei kuvata riittävästi', hän huomauttaa. Nyt on kyse virtuaalihiiren syöttämisestä lisätutkimustiedoilla ja sen vahvistamisesta ennusteiden luotettavuuden edelleen parantamiseksi. 'Päämääränämme on lyhentää nanolääkkeiden kehitysprosessia aina lääkkeeseen ja potilaaseen sen käytöksi asti samalla minimoiden eläinkokeet', painottaa hän.
Malli soveltuvana ihmistutkimukseen
Jimeng Wun tuleva tutkimustyö keskittyy myös niin sanottuun 'siltojen muodostamisstrategiaan', jotta hänen in silico -mallinsa periaate voidaan siirtää ihmistutkimukseen. Tätä varten hän suunnittelee ihmisen PBPK-mallin luomista virtuaalihiiren periaatteilla. Toisin kuin AI-hiirensä, joka laskee pelkästään nanohiukkasten jakautumista maksassa, munuaisissa, keuhkoissa ja pernassa, voitaisiin ihmisessä in silico -mallia käyttää myös arkaluonteisten kohde-elinten tutkimukseen – esimerkiksi tutkimaan, missä määrin tietyt nanohiukkaset voivat ylittää veri-aivoesteen. Myöskään alussa mainittu aivokasvain ei välttämättä olisi enää turvassa tämän esteen takana – nanopartikkelit voisivat toimittaa sille 'postinkantajana' paketin, jossa on kohdennettu annos kemoterapiaa.