Wussten Sie, dass die Entdeckung eines neuen Medikaments 10 bis 15 Jahre dauert und Milliarden von Dollar kostet? Der dafür benötigte Zeit-, Geld- und Arbeitsaufwand ist enorm. Doch dank der Chemoinformatik ändert sich das jetzt.Was es ist und wie es bei der Entdeckung neuer Medikamente hilftDie Antwort ist ebenso spannend wie komplex und in diesem Beitrag erklären wir sie auf einfache Weise.
Was ist Cheminformatik? Die spannende Verbindung von Chemie und Informatik
Um zu verstehen Was ist Cheminformatik?Stellen Sie sich vor, Sie müssen einen einzigartigen Schlüssel finden, der ein extrem komplexes Schloss öffnet. Doch der Schlüssel ist in einem Berg von zehn Milliarden verschiedenen Schlüsseln versteckt. Was für eine Aufgabe! Können Sie sich vorstellen, wie viel Zeit und Mühe es kosten würde, jeden Schlüssel einzeln manuell zu suchen und auszuprobieren?
Die Pharmaindustrie steht vor dieser gewaltigen Herausforderung. Das Schloss stellt ein krankheitserregendes Protein dar, der Schlüssel ein chemisches Molekül, das in ein Medikament umgewandelt werden könnte. Jahrzehntelang Experten haben „manuelle“ Systeme verwendet, um jedes neue Medikament zu finden, wobei wirklich enorm viel Zeit, Geld und Mühe investiert wurde.
Um auf die Analogie zurückzukommen: Stellen Sie sich vor, Sie hätten jetzt eine intelligentes System Neun von zehn Schlüsseln, die nicht passen, werden sofort ausgeschlossen. Das System hilft Ihnen außerdem, die Schlüssel mit der vielversprechendsten Form vorherzusagen, sie zu sammeln und in Bündel zu sortieren. Großartig! Das ist im Grunde die Magie der Cheminformatik.
Was ist Cheminformatik? Laut Portal PubMed, „ist ein Bereich der Informationstechnologie, der sich auf die Sammlung, Speicherung, Analyse und Manipulation chemischer Daten konzentriert.“ Diese wissenschaftliche Disziplin verwendet Informatik- und Datenwissenschaftstechniken, um komplexe Probleme in der Chemie zu lösenDer Schwerpunkt liegt in erster Linie auf der Arzneimittelforschung, findet aber auch Anwendung in zahlreichen anderen Sektoren (Agrochemikalien, Lebensmittel usw.).
Zwei Grundpfeiler: Daten und Algorithmen
Um zu verstehen, wie die Cheminformatik funktioniert, müssen wir über ihre zwei wesentlichen Komponenten sprechen: chemische Daten, einerseits und der Algorithmen und Modelle, andererseits. Letztere dienen der Verarbeitung chemischer Daten und liefern so nützliche Informationen zur Optimierung der Arzneimittelentwicklung. Dazu ist es zunächst notwendig, alle Daten zu jeder vorhandenen chemischen Verbindung zu digitalisieren.
Alles beginnt also mit der Digitalisierung von MolekülenDiese können mithilfe spezieller Formate (wie SMILES-, InChI- oder SDF-Dateien) digital dargestellt werden, die ein Computer verstehen und verarbeiten kann. Natürlich handelt es sich dabei nicht um einfache Zeichnungen: Diese Dateien kodieren Informationen wie Atome, ihre Bindungen, ihre dreidimensionale Struktur, elektrische Ladung, physikalische Eigenschaften usw. Dies hat zur Existenz gigantischer Datenbanken geführt, in denen Millionen von Molekülen gespeichert sind, sowohl natürliche als auch synthetische.
- Sobald die chemischen Verbindungen mit all ihren Eigenschaften auf die digitale Ebene gebracht wurden, können rechnergestützte Werkzeuge auf sie angewendet werden.
- Darum geht es in der Cheminformatik: Chemische Daten anwenden Statistiken, die maschinelles Lernen, Künstliche Intelligenz, Data Mining und Methoden der Mustererkennung.
- All diese Algorithmen und Modelle beschleunigen die Analyse solch großer Datenmengen erheblich, mit dem letztendlichen Ziel, Medikamente zu entwickeln.
Wie Cheminformatik bei der Entdeckung neuer Medikamente hilft
Im Wesentlichen ist die Aufgabe der Cheminformatik jede Phase des Arzneimittelentdeckungs- und -entwicklungsprozesses optimierenEs ist erwähnenswert, dass dieser Prozess ein langer und komplexer Zyklus ist, der 10 bis 15 Jahre dauern und Milliarden von Dollar kosten kann. Dank der Verschmelzung von Chemie und Informatik konnte dieser Aufwand jedoch erheblich vereinfacht werden. Sehen wir uns an, wie dies in den frühen Phasen der Arzneimittelentwicklung möglich ist:
Phase 1: Entdeckung und Forschung
Um ein Medikament zu entwickeln, untersuchen Wissenschaftler zunächst die Ursachen einer Krankheit. Innerhalb dieser Ursachen Sie identifizieren ein biologisches Ziel oder einen biologischen Zweck (wie etwa ein Protein oder Gen), das bzw. der zur Behandlung der Krankheit verändert werden kann.. An diesem Punkt hilft die Chemoinformatik herauszufinden, ob ein Zielmolekül „medikamentös behandelbar“ ist, d. h. ob es eine Bolzen (um auf die anfängliche Analogie zurückzukommen), in der man ein Schlüssel (Molekül), um zu versuchen, es zu modifizieren.
Darüber hinaus helfen Datenverarbeitungstechniken auch dabei, Kandidatenmoleküle identifizieren und erstellen (Schlüsselbunde), die mit dem Ziel interagieren könnten. Anstatt Millionen von Verbindungen physisch zu testen, virtuelles Screening in riesigen Datenbanken, um die besten Kandidaten zu identifizieren. Was früher zwei bis vier Jahre dauerte, lässt sich heute in viel kürzerer Zeit und mit geringerem Geld- und Arbeitsaufwand erreichen.
Stufe 2: Präklinische Phase
In der präklinischen Phase werden die vielversprechendsten Verbindungen ausgewählt und gründlich auf ihre Sicherheit und Wirksamkeit untersucht. Diese Studien werden typischerweise sowohl in vitro (auf Zellen und Gewebe) als in vivo (bei Tieren). Aber, Die Chemoinformatik ermöglicht die Simulation all dieser Studien in silico, das heißt auf einem Computerund mit Ergebnissen, die denen von Labortests sehr ähnlich sind. Dies spart natürlich Ressourcen und Zeit und vermeidet die Synthese von Hunderten nutzloser Varianten.
Stufe 3: Klinische Testphasen
Wenn die präklinischen Studien erfolgreich verlaufen, wird die Substanz am Menschen getestet. Natürlich kann eine solche Substanz im Reagenzglas oder in einer digitalen Simulation sehr wirksam sein. Aber wenn der menschliche Körper sie nicht aufnimmt, sie toxisch ist oder die Leber sie zu schnell verstoffwechselt, ist das Medikament erfolglos. Daher ist vor Tests am Menschen eine ADMET-Eigenschaftenvorhersagetest, der Adsorption, Verteilung, Stoffwechsel, Ausscheidung und Toxizität misst der Verbindung im menschlichen Körper.
Glücklicherweise, Cheminformatikmodelle können auch ADMET-Eigenschaftsvorhersagetests durchführenDies kann bereits vor der Erprobung des Wirkstoffs an Tieren erfolgen, um problematische Kandidaten frühzeitig auszuschließen. Die Durchführung dieser digitalen Simulationen reduziert die Anzahl fehlgeschlagener klinischer Studien sowie die Notwendigkeit von Testpersonen (und die daraus resultierenden ethischen Auswirkungen).
Abschließend haben wir in groben Zügen gesehen, was Chemoinformatik ist und wie sie zur Entdeckung neuer Medikamente beiträgt. Die Skalierbarkeit dieser wissenschaftlichen Disziplin ist enorm., daher sind in Zukunft mehr und bessere Ergebnisse zu erwarten. Durch die Kombination der Kraft der Chemie mit Computerintelligenz eröffnet sich ein ganzes Universum an Möglichkeiten, Krankheiten schneller, präziser und wirtschaftlicher zu behandeln.
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