Als een tumor erin geslaagd is zich in de hersenen van een wezen te nestelen, heeft hij het vanuit het perspectief van de tumor bijzonder slim gedaan. Hij heeft zich namelijk verstopt achter een van de machtigste barrières waarmee het lichaam zijn belangrijkste organen beschermt: de bloed- hersenbarrière, een zeer selectief filter dat alleen uitverkoren stoffen doorlaat. De meeste medicijnen behoren daar niet toe. Het is daarom een grote uitdaging voor de geneeskunde om een effectieve chemotherapie tegen hersentumoren te vinden.
In de afgelopen jaren heeft het medisch onderzoek een veelbelovende ondersteuner gevonden: de nanotechnologie. Materialen in het nanobereik kunnen, figuurlijk gesproken, de rol van postbodes overnemen die werkzame stoffen op het gewenste adres afleveren. Aangezien nanodeeltjes onvoorstelbaar klein zijn - ongeveer 500 keer kleiner dan de diameter van een menselijk haar - slagen sommige erin de beschermende barrières van het lichaam te passeren zonder deze te beschadigen. Om bij het voorbeeld van de hersentumor te blijven: nanodeeltjes zouden chemotherapeutische werkzame stoffen over de bloed-hersenbarrière naar de hersenen kunnen transporteren, waar deze de hersentumor kunnen bestrijden.
Suche naar het juiste nanomateriaal Echter, de nanodeeltjes moeten, afhankelijk van de taak die ze moeten vervullen, heel specifieke eigenschappen hebben: afhankelijk van de vorm, materiaalsamenstelling en grootte verspreiden ze zich anders in het lichaam en hopen ze zich in andere organen op. Het is daarom belangrijk om te ontdekken welke deeltjes hun taak het best uitvoeren zonder schade aan te richten. Tot nu toe hebben onderzoekers diermodellen, meestal muizen, gebruikt om deze vragen te onderzoeken: ze dienden verschillende nanomaterialen toe aan muizen en onderzochten vervolgens hoe deze zich in het muizenlichaam verdeelden en welke bijwerkingen ze hadden. Deze dierstudies zijn echter niet alleen arbeidsintensief, tijdrovend en duur, maar ook ethisch gezien problematisch. Niet zonder reden vereist de Zwitserse Dierenbeschermingswet de hoeveelheid gebruikte dierproeven tot het noodzakelijke minimum te beperken.
KI-muis met doorslaggevend voordeel Empa-onderzoeker Jimeng Wu, promovenda in de afdelingen «Nanomaterials in Health» en «Technology and Society», heeft daarom een virtuele muis ontwikkeld waarop deze tests met behulp van KI veel tijdsbesparender kunnen worden uitgevoerd. Voor dit zogenaamde fysiologisch gebaseerde farmacokinetische model (PBPK-model) heeft Wu 18 muisstudies als basis genomen, dus gegevens van proeven van verschillende onderzoeksteams met 'echte' muizen. Bovendien heeft ze een statistische methode, de Bayesiaanse analyse met Markov chain Monte Carlo-simulaties, in haar model geïntegreerd.
Het resultaat is een virtuele muis waaraan men - eveneens virtuele - nanodeeltjes kan toedienen. Vervolgens berekent het model hun verspreiding in het muizenlichaam op basis van hun eigenschappen zoals grootte, coating en oppervlaktelading. In tegenstelling tot een traditioneel PBPK-model, dat telkens slechts voor een enkele substantie is gekalibreerd, heeft Wu's KI-muis een doorslaggevend voordeel: «Het model kan zijn parameters aanpassen aan de meetbare eigenschappen van het betreffende nanodeeltje», legt Jimeng Wu uit. Deze vaardigheid dankt het hulpmiddel aan het «multivariate lineaire regressiemodel», een benadering van machinaal leren.
Bijdrage aan «Safe and Sustainable by Design» «Dit KI-ondersteunde screeninginstrument stelt onderzoekers in staat virtueel te testen welk type nanodeeltjes het meest geschikt is voor een bepaalde taak, voordat ze deze deeltjes zelfs maar ontwikkelen», legt Jimeng Wu verder uit. Dat bespaart niet alleen tijd, maar ook kosten, omdat het een beslissingsondersteuning biedt voordat een kostbaar klinisch onderzoek wordt gestart.
«Daarmee levert het model een bijdrage aan het concept van «Safe and Sustainable by Design» (SSbD), voegt Peter Wick toe, die samen met zijn collega Bernd Nowack Jimeng Wu in haar promotie ondersteunt. Want de virtuele muis verhoogt de veiligheid van nieuwe materialen of therapieën al voordat deze ontwikkeld zijn. Echter, de Empa-onderzoeker wijst erop dat de gegevensset waarmee het model tot nu toe is getraind, nog heel klein is: tot nu toe zijn er slechts 18 ‘peer-reviewed papers’ gevonden waarvan de gegevenskwaliteit voldoende was. «In veel studies worden de eigenschappen van de gebruikte nanodeeltjes niet voldoende beschreven», merkt hij op. Het is nu zaak om de virtuele muis met aanvullende studiegegevens te voeden en te verifiëren, om de betrouwbaarheid van de voorspellingen verder te verhogen. «Ons uiteindelijke doel is om het proces van de ontwikkeling van nanomedische materialen tot de toepassing als medicijn bij de patiënt te verkorten en daarbij zoveel mogelijk op dierproeven te kunnen beperken», benadrukt hij.
Het model voor menselijk onderzoek bruikbaar maken Jimeng Wu's toekomstige onderzoekswerk zal zich daarnaast wijden aan een zogenaamde ‘brugstrategie’ om het principe van haar in silico-model over te dragen naar menselijk onderzoek. Hiervoor is het plan om de principes van de virtuele muis in een menselijk PBPK-model op te nemen. In tegenstelling tot haar KI-muis, die alleen de verspreiding van nanodeeltjes in lever, nieren, longen en milt berekent, zou een menselijk in silico-model ook kunnen worden ingezet voor de studie van gevoelige doelorganen – bijvoorbeeld om te onderzoeken in hoeverre bepaalde nanodeeltjes de bloed-hersenbarrière kunnen overschrijden. Ook de eerder genoemde hersentumor zou zich achter deze barrière dan niet meer veilig voelen – nanodeeltjes zouden hem als ‘postbodes’ een pakketje met een gerichte dosis chemotherapie kunnen bezorgen.
Mediakontakt:
Mirjam Schwaller
Communicatie
Tel. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch