Улучшение прогнозирования токсичности с помощью передового моделирования данных
Современные методы замены тестирования токсичности на животных (in vivo) находятся на переднем крае науки, но пока не позволяют полностью отказаться от таких испытаний. Для улучшения прогнозирования токсичности необходимо использовать возможности моделирования данных. Этим в течение почти пяти лет занималась команда проекта NOTOX.
Проект NOTOX («Предсказание долгосрочных токсических эффектов с помощью компьютерных моделей на основе системной характеристики органотипических культур») использовал «системный биологический подход» к оценке токсичности. Под руководством координатора проекта, профессора Эльмара Хайнцле из Института биохимической инженерии Саарского университета, команда объединила передовые методы культивирования и воздействия in vitro с мульти-омиксными измерениями и механистическим многоуровневым моделированием. В результате были разработаны системные биологические инструменты, включая экспериментальные и вычислительные методы для создания причинно-следственных прогностических моделей, что улучшило предсказание долгосрочной токсичности.
Ключевой подход: «типичная системная биологическая установка»
Системный биологический подход NOTOX объединяет:
- Органотипические культуры печени с использованием клеток HepaRG в 2D и 3D форматах, иногда в комбинации с другими типами клеток печени.
- Комплексный омикс-анализ (эпигеномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика и флюксомика) с расширенным биоинформатическим анализом.
- Различные типы компьютерного моделирования — от простых моделей PBPK до агентных многоуровневых моделей.
Данные, полученные от новых человеческих клеточных систем in vitro, подвергавшихся длительному воздействию с повторными дозами, улучшают прогноз долгосрочной токсичности.
Основные результаты проекта
- Успешное прогнозирование: Для соединений золота, выбранных консорциумом SEURAT, была эффективно предсказана долгосрочная токсичность в эквивалентных пероральных дозах (OED) на основе анализа жизнеспособности в долгосрочных культурах. Для прогноза OED успешно применялись даже простые модели, которые уже готовы к использованию.
- Механистические модели: Они дают более реалистичную картину механизмов действия на пути неблагоприятных исходов (adverse outcome pathways). Разработаны детальные модели, например, для накопления липидов (ожирение печени) или окислительного стресса. Эти модели, интегрированные в PBPK-модели, уже позволяют улучшить прогноз. Некоторые из них доступны через промышленного партнера, Insilico Biotechnology. Такие модели также помогают выявлять значимые биомаркеры, связанные с механизмом действия.
- Демонстрация методов: NOTOX успешно применил методы культивирования in vitro для долгосрочного тестирования токсичности для печени с использованием клеточной линии гепатоцитов HepaRG в 2D и 3D форматах для получения физиологически релевантного прогноза. Показано, что данные этих культур позволяют прогнозировать OED, которые могут вызвать токсические эффекты у человека при длительном воздействии.
- Изучение механизмов: Крупномасштабные мульти-омиксные эксперименты позволяют выяснить механизм действия, что является основой для создания более точных механистических моделей.
- Кардиотоксичность: Продемонстрировано, что индуцированную метаболизмом токсичность можно изучать и моделировать в комбинации с культивируемыми кардиомиоцитами, полученными из человеческих стволовых клеток.
Коммуникация и восприятие
Информирование общественности было важной частью проекта. Фильм NOTOX и целевые информационные кампании (например, приуроченные ко Всемирному дню защиты животных) помогли повысить осведомленность о запретах на тестирование косметики на животных и усилиях консорциума по разработке новых альтернатив.
Представители промышленности заинтересованы в новых методах, позволяющих заменить тестирование на животных для оценки безопасности. После запрета на продажу в ЕС с марта 2013 года косметики, испытанной на животных, потребность в валидных альтернативах стала актуальной. Потребители также могут предпочесть вариант без использования животных, если будут уверены в сопоставимом уровне безопасности.
Следующие шаги и ожидаемое влияние
После официального завершения проекта в декабре консорциум продолжит работу. Следующие шаги включают завершение масштабных исследований случаев окислительного стресса и стеатоза (ожирения печени), углубленное изучение эффектов, наблюдаемых с помощью электронной микроскопии, и завершение исследования комбинированного применения гепатоцитов и кардиомиоцитов для выявления индуцированной метаболизмом кардиотоксичности.
Ожидается, что концепции и результаты NOTOX окажут глубокое влияние с научной, этической, социальной и экономической точек зрения:
- Содействие использованию культур человеческих клеток и 3D-культур клеточной линии HepaRG для долгосрочного тестирования, что способствует замене или сокращению использования животных.
- Разработка систем для прогнозирования неблагоприятных эффектов в виртуальной человеческой популяции с разным метаболизмом и чувствительностью.
- Подготовка нового поколения исследователей.
- Вклад в дальнейшую замену тестирования на животных методами in vitro, напрямую включающими математические модели, что в конечном итоге значительно сократит потребность химической и фармацевтической промышленности в испытаниях на животных.