Три грани научного поиска: от мышей и чашки Петри до цифровой модели человека

Представьте современного научного сотрудника, которому нужно изучить эффективность и безопасность какой-то молекулы — основы для нового лекарства. Для этого ему предстоит провести несколько этапов исследований и экспериментов. Он может смотреть на трехмерные культуры через микроскоп, наблюдать, как на вещество реагируют трансгенные животные, и даже прогнозировать на компьютере, против каких заболеваний поможет молекула.

Но раньше выбор у исследователей был ограничен: эксперименты проводились на животных, и только в случае успеха — на людях. Было сложно представить, что когда-то ученые смогут изучать препараты на виртуальных моделях органов и предсказывать реакции организма с помощью программ ИИ.

Сегодня используют три основных метода научных исследований:

• In vivo — тестирование на животных и клинические испытания на людях.
• In vitro — эксперименты в пробирках.
• In silico — моделирование биологических процессов на компьютерах.
  

И каждый из них приближает нас к новым лекарствам.

История применения метода in vivo уходит в глубокую древность. Еще врачи Древней Греции — Гиппократ и Гален — наблюдали за животными, чтобы понять, как работает организм. Но активно использовать технологию in vivo (правда тогда она еще так не называлась) стали в XVI–XVII веках: в это время Андреас Везалий изучал строение сердца на человеческих трупах, а Уильям Гарвей открыл круги кровообращения. Перед этим он долго наблюдал за живыми животными и проводил эксперименты с их кровеносной системой.

В биомедицину метод пришел гораздо позже — в 1901 году. С развитием микроскопии исследователи стали применять его для изучения клеточных процессов и реакций на лекарственные молекулы. Сегодня ученые сначала проверяют эффективность и безопасность на животных, а потом проводят клинические испытания на людях:

Где применяют метод in vivo

Методику in vivo используют во многих областях медицины и биологии.

Фармакология и токсикология

Ученые проверяют, как новые вещества влияют на весь организм: узнают терапевтическую дозу лекарства и изучают его возможные побочные эффекты.

Исследование заболеваний, в том числе онкологических

На животных моделях изучают, как опухоль растет и реагирует на разные виды лечения. Делают это двумя способами: с помощью трансгенных и ксеногенных моделей животных, в чьи организмы добавлены чужие гены человека или другого вида. Это нужно, чтобы изучать болезни и проверять лекарства в условиях, похожих на человеческие.

В первом случае у животных заранее модифицируют гены, которые связаны с развитием определенных типов опухолей. Это помогает исследователям изучать заболевание и реакцию на лечение в условиях, приближенных к реальным. При втором подходе опухолевые клетки человека пересаживают иммунодефицитным мышам, чтобы протестировать экспериментальные препараты на человеческой ткани^{1, 2}.

Нейронаука

С помощью исследований in vivo ученые, в частности, изучают, как мозг реагирует на боль, стресс, память и социальное поведение.

Преимущества и недостатки метода

Главный плюс — реалистичность. Ученые видят реакцию на лечение с учетом всех сложных процессов работы живого организма, включая метаболизм и иммунный ответ.

Но ограничения у метода тоже есть. In vivo — один из самых ресурсозатратных способов проведения исследований. Он требует строгого соблюдения этических стандартов и длительной подготовки. Ведь даже небольшие различия между особями животных, например в весе или возрасте, могут сильно повлиять на результат.

К тому же идея использовать животных для экспериментов всегда вызывала споры. В обществе возникают дискуссии о том, где проходит граница между пользой для человека и страданиями лабораторных грызунов. Поэтому сотрудники лабораторий сегодня следуют международным стандартам. В них описано, как нужно ухаживать за животными и когда от эксперимента стоит отказаться и провести вместо него более гуманное исследование. Протоколы внедрили практически во всех лабораториях и строго соблюдают на этапе доклиники³.

Что будет дальше

Ученые все чаще используют методы визуализации, например МРТ и рентгенографию. Так специалисты получают более точные данные о процессах в живом организме. Это помогает лучше изучить биологические механизмы в реальном времени.

Еще специалисты применяют неинвазивные датчики и устройства для мониторинга физиологических параметров. Таким образом ученые решают сразу две задачи: ускоряют процесс получения результатов и повышают комфорт животных и людей во время экспериментов.

Идея изучать биологические процессы вне организма возникла еще в XIX веке. В 1885 году немецкий биолог Роберт Кох впервые культивировал бактерии на питательной среде, что можно считать одним из первых успешных примеров in vitro.

Активнее развиваться метод стал в XX веке. В 1907 году американский биолог Росс Гаррисон впервые вырастил нервные клетки лягушки в искусственной среде, доказав, что вне организма клетки можно поддерживать живыми. С тех пор появились другие технологии поддержания жизнеспособности клеток в питательных растворах: инкубаторы, автоматизированные платформы и высокоточные инструменты для анализа молекулярных изменений.

Где применяют метод in vitro

Методы in vitro широко применяют в разных областях.

Биология

Ученые изучают клеточный метаболизм, механизмы деления и дифференцировки клеток. А также исследуют влияние на них вирусов, бактерий и других микроорганизмов.

Фармакология

Исследователи изучают, как лекарственные соединения влияют на жизнедеятельность клеток, оценивают токсичность веществ и тестируют комбинации препаратов.

Медицина

Метод используют для разработки ряда диагностических методов. Например, полимеразную цепную реакцию (ПЦР) создали и улучшили именно методом in vitro. Благодаря этому способу активно развиваются репродуктивные технологии, например экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО).

Биотехнологии

Метод используют для производства белков, гормонов и других биологически активных веществ с помощью клеточных культур. А также отслеживают, может ли генетическая модификация клеток помочь при лечении определенных заболеваний.

Преимущества и недостатки метода

Важный плюс — это высокий уровень контроля. Условия эксперимента можно задать с максимальной точностью — от температуры, pH и концентрации веществ до активности отдельных генов. Так ученые могут быстро проверить гипотезы и реже использовать животных для исследований. Такой подход соответствует современным этическим стандартам, в том числе правилу 3R Берча — Рассела:

Но у методов in vitro есть и ограничения. Клетки выращивают в искусственной среде, то есть они не получают сигналов от гормонов, не взаимодействуют с другими типами клеток и не зависят от реакции иммунной системы. Это уменьшает точность эксперимента: ученым становится сложнее предсказать, как клетки будут реагировать на какое-то вещество в живом организме.

Что будет дальше

Ученые разрабатывают сложные in vitro модели, чтобы результаты исследований были точнее. Например, трехмерные культуры и органоиды, а также чип-системы с микросредой, которая копирует параметры живой ткани. Такие технологии находятся на границе между in vitro и in vivo и в будущем, возможно, заменят классические модели^{4, 5}.

Также специалисты планируют активнее выращивать модели из собственных клеток пациента. Это позволит ученым тестировать препараты на клетках конкретного человека, что повысит эффективность лечения и снизит вероятность побочных эффектов.

Метод in silico — самый современный подход, при котором биологические и медицинские исследования проводят на компьютере. Компьютерные модели позволяют просчитать поведение молекулы до ее синтеза и спрогнозировать реакцию организма на препарат еще до начала испытаний. А также создать белок с заданной функцией или смоделировать работу органа в динамике.

Развитие методики было постепенным: сначала специалисты разрабатывали простые алгоритмы для моделирования биологических процессов. Затем поручили компьютеру воссоздавать структуры белков. А потом, благодаря секвенированию генома человека, получили крупные базы данных последовательностей ДНК, белков и других структур. Это подтолкнуло научное сообщество к развитию алгоритмов анализа и предсказания функций биомолекул.

В 2000-е появились методы, которые могли моделировать целые биологические системы — клетки, ткани и органы. В последние годы на этот процесс повлиял ИИ: с ним алгоритмы стали точнее, а на их создание уходит меньше времени.

Где применяют метод in silico

Выделяют несколько направлений применения методов in silico.

Разработка лекарственных препаратов

Благодаря компьютерным моделям можно еще до синтеза вещества в лаборатории спрогнозировать способность молекулы связываться с нужной биомишенью, например с белком, который участвует в развитии заболевания. Для этого программа анализирует тысячи молекул и отбирает те, которые подойдут к активному центру белка, как ключ к замку.

Такой подход позволяет значительно сократить объем ручной работы. Вместо тысяч соединений-кандидатов ученые получают короткий список молекул, которые с большей вероятностью окажутся эффективными.

Еще один пример применения in silico метода при разработке лекарств — прогнозирование действий молекулы в организме. С помощью компьютерного моделирования ученые получают следующие данные:

• насколько хорошо всасывается вещество;
• как быстро распределяется по органам и тканям;
• превращается ли в другие соединения в ходе метаболизма;
• как выводится из организма;
• насколько вещество токсично.

Модели in silico позволяют с высокой скоростью оценить эти свойства и исключить неподходящие соединения до перехода к этапам in vitro и in vivo.

Генетические исследования

Расшифровка генома человека — задача сама по себе масштабная: каждый геном содержит около трех миллиардов нуклеотидов. Современные секвенаторы — приборы, которые считывают последовательность нуклеотидов в ДНК, позволяют быстро получить эти данные. Но без дальнейшей компьютерной обработки они остаются просто набором букв. И здесь на помощь приходят компьютерные алгоритмы анализа:

• сопоставляют участки ДНК;
• выявляют мутации;
• устанавливают связи между генетическими изменениями и конкретными биологическими признаками.

Также с помощью in silico методов можно выявить мутации в генах, которые связаны с повышенным риском развития некоторых онкологических заболеваний. А еще выяснить, из-за каких генетических нарушений происходит задержка в развитии у детей.

Кроме диагностики, такие модели помогают подобрать таргетное лечение — когда лекарству нужно повлиять на клетки только с определенной мутацией.

Синтетическая биология

Ученые создают с помощью ИИ новые белки, ферменты и даже модели клеток. Например, языковая модель ProGen, которую обучали на базах белковых последовательностей, смогла синтезировать белки с лизоцимной активностью. Они разрушают клеточные стенки бактерий⁶, как это делает фермент лизоцим в слюне и слезах человека.

Еще ИИ применяют для создания белков с новыми структурами и активными участками для связывания молекул. Такие ‭«кибербелки» выполняют задачи, которые не по силам их природным «братьям»⁶.‬‬‬‬‬

In silico моделирование активно применяют для воссоздания сложных биологических систем. Например, цифровых моделей поджелудочной железы и мозга мышей⁷, на которых можно проводить исследования без участия живых грызунов.

Преимущества и недостатки метода

Первоначально in silico применяли как вспомогательный метод, но с развитием вычислительных мощностей и машинного обучения он превратился в полноценный инструмент научного поиска и прогноза.

Но несмотря на это, у моделей in silico есть недостатки. Точность моделирования напрямую зависит от качества исходных данных, заложенных математических допущений и корректности интерпретации результатов. Поэтому исследования in silico всегда дополняют другими стандартными лабораторными методами.

Что будет дальше

Одна из целей ученых — создание цифрового двойника человека: детальной компьютерной модели, учитывающей работу всех органов и систем конкретного пациента. С ее помощью врачи смогут заранее оценить эффективность лечения и поменять его, если состояние человека изменится.

Еще специалисты хотят наполнять цифровые библиотеки данными о каждой клеточной модели — ее геноме, метаболизме, сигнальных путях и реакции на потенциальные препараты. Это поможет выявлять чувствительность клеток к конкретным соединениям и прогнозировать развитие заболеваний.

Когда ученые используют сразу три подхода — живые модели, клеточные тесты и цифровые прогнозы, — новые лекарства получается создать этичнее, быстрее и дешевле. Сильные стороны каждого подхода дополняют друг друга и помогают исследователям лучше понимать биологические процессы.