Τι είναι η χημειοπληροφορική και πώς βοηθά στην ανακάλυψη νέων φαρμάκων;

Γνωρίζατε ότι η ανακάλυψη ενός νέου φαρμάκου διαρκεί μεταξύ 10 και 15 ετών και κοστίζει δισεκατομμύρια δολάρια; Ο χρόνος, τα χρήματα και η προσπάθεια που επενδύονται είναι τεράστια, αλλά όλα αυτά αλλάζουν χάρη σε έναν επιστημονικό κλάδο γνωστό ως χημειοπληροφορική.Τι είναι και πώς βοηθά στην ανακάλυψη νέων φαρμάκωνΗ απάντηση είναι τόσο συναρπαστική όσο και περίπλοκη, και σε αυτήν την ανάρτηση θα την εξηγήσουμε με απλό τρόπο.

Τι είναι η χημειοπληροφορική; Η συναρπαστική συγχώνευση χημείας και επιστήμης υπολογιστών

Για να καταλάβετε Τι είναι η χημειοπληροφορική;Φανταστείτε ότι πρέπει να βρείτε ένα μοναδικό κλειδί που ανοίγει μια εξαιρετικά περίπλοκη κλειδαριά. Αλλά το κλειδί είναι κρυμμένο ανάμεσα σε ένα βουνό από δέκα δισεκατομμύρια διαφορετικά κλειδιά. Τι δουλειά! Μπορείτε να φανταστείτε πόσο χρόνο και προσπάθεια θα χρειαζόταν για να αναζητήσετε και να δοκιμάσετε χειροκίνητα κάθε κλειδί ένα προς ένα;

Λοιπόν, η φαρμακευτική βιομηχανία αντιμετωπίζει αυτή την τεράστια πρόκληση. Η κλειδαριά αντιπροσωπεύει μια πρωτεΐνη που προκαλεί ασθένειες και το κλειδί είναι ένα χημικό μόριο που θα μπορούσε να μετατραπεί σε φάρμακο. Για δεκαετίες, Οι ειδικοί έχουν χρησιμοποιήσει «χειροκίνητα» συστήματα για να βρουν κάθε νέο φάρμακο, επενδύοντας πραγματικά τεράστιο ποσό χρόνου, χρημάτων και προσπάθειας.

Επιστρέφοντας στην αναλογία, φανταστείτε ότι τώρα έχετε ένα έξυπνο σύστημα Είναι σε θέση να αποκλείσει αμέσως εννέα από τα δέκα κλειδιά που δεν ταιριάζουν. Το σύστημα σας βοηθά επίσης να προβλέψετε ποια κλειδιά έχουν το πιο υποσχόμενο σχήμα, να τα συγκεντρώσετε και να τα ταξινομήσετε σε δέσμες. Τέλεια! Αυτή είναι, στην ουσία, η μαγεία της Χημειοπληροφορικής.

Τι είναι η χημειοπληροφορική; Σύμφωνα με την πύλη PubMed, «είναι ένας τομέας της τεχνολογίας των πληροφοριών που επικεντρώνεται στη συλλογή, αποθήκευση, ανάλυση και χειρισμό χημικών δεδομένων». Αυτός ο επιστημονικός κλάδος χρησιμοποιεί τεχνικές πληροφορικής και επιστήμης δεδομένων για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων στη χημείαΕπικεντρώνεται κυρίως στην ανακάλυψη φαρμάκων, αλλά έχει επίσης εφαρμογές σε πολλαπλούς τομείς (αγροχημικά, τρόφιμα κ.λπ.).

Δύο βασικοί πυλώνες: Δεδομένα και Αλγόριθμοι

Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί η χημειοπληροφορική, πρέπει να μιλήσουμε για τα δύο βασικά της στοιχεία: χημικά δεδομένα, αφενός, και το αλγόριθμοι και μοντέλα, από την άλλη πλευρά. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία χημικών δεδομένων και, ως εκ τούτου, για την απόκτηση χρήσιμων πληροφοριών που επιτρέπουν τη βελτιστοποίηση της ανάπτυξης φαρμάκων. Για να γίνει αυτό, είναι πρώτα απαραίτητο να ψηφιοποιηθούν όλα τα δεδομένα που σχετίζονται με κάθε υπάρχουσα χημική ένωση.

Όλα λοιπόν ξεκινούν με το ψηφιοποίηση μορίωνΑυτά μπορούν να αναπαρασταθούν ψηφιακά χρησιμοποιώντας ειδικές μορφές (όπως αρχεία SMILES, InChI ή SDF) που ένας υπολογιστής μπορεί να κατανοήσει και να επεξεργαστεί. Φυσικά, δεν μιλάμε για απλά σχέδια: αυτά τα αρχεία κωδικοποιούν πληροφορίες όπως άτομα, τους δεσμούς τους, την τρισδιάστατη δομή τους, το ηλεκτρικό φορτίο, τις φυσικές ιδιότητες κ.λπ. Αυτό έχει οδηγήσει στην ύπαρξη γιγαντιαίων βάσεων δεδομένων που αποθηκεύουν εκατομμύρια μόρια, τόσο φυσικά όσο και συνθετικά.

• Μόλις οι χημικές ενώσεις, με όλα τα χαρακτηριστικά τους, φτάσουν στο ψηφιακό επίπεδο, είναι δυνατή η εφαρμογή υπολογιστικών εργαλείων σε αυτές.
• Αυτό ακριβώς είναι η χημειοπληροφορική: η εφαρμογή χημικών δεδομένων στατιστικά στοιχεία, τα αυτόματη μάθηση, τεχνητή νοημοσύνη, εξόρυξη δεδομένων και μέθοδοι αναγνώρισης προτύπων.
• Όλοι αυτοί οι αλγόριθμοι και τα μοντέλα επιταχύνουν σημαντικά την ανάλυση ενός τόσο μεγάλου όγκου δεδομένων, με απώτερο στόχο την ανάπτυξη φαρμάκων.

Πώς η χημειοπληροφορική βοηθά στην ανακάλυψη νέων φαρμάκων

Βασικά, αυτό που κάνει η χημειοπληροφορική είναι βελτιστοποιήστε κάθε στάδιο της διαδικασίας ανακάλυψης και ανάπτυξης φαρμάκωνΑξίζει να σημειωθεί ότι αυτή η διαδικασία είναι ένας μακρύς και πολύπλοκος κύκλος που μπορεί να διαρκέσει 10 έως 15 χρόνια και να κοστίσει δισεκατομμύρια δολάρια. Αλλά μεγάλο μέρος αυτής της προσπάθειας έχει απλοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό χάρη στη συγχώνευση της χημείας και της επιστήμης των υπολογιστών. Ας δούμε πώς αυτό είναι δυνατό κατά τα πρώτα στάδια της ανάπτυξης φαρμάκων:

Στάδιο 1: Ανακάλυψη και Έρευνα

Για να δημιουργήσουν ένα φάρμακο, το πρώτο πράγμα που κάνουν οι επιστήμονες είναι να διερευνήσουν τι προκαλεί μια ασθένεια. Μέσα σε αυτήν την αιτία, Προσδιορίζουν έναν βιολογικό στόχο ή αντικειμενικό σκοπό (όπως μια πρωτεΐνη ή ένα γονίδιο) που μπορεί να τροποποιηθεί για τη θεραπεία της νόσου.Σε αυτό το σημείο, η χημειοπληροφορική βοηθά να γνωρίζουμε εάν ένας στόχος είναι «φαρμακώσιμος», δηλαδή, εάν έχει μπουλόνι (επιστρέφοντας στην αρχική αναλογία) στην οποία θα εισαχθεί ένα κλειδί (μόριο) για να προσπαθήσουμε να το τροποποιήσουμε.

Επιπλέον, οι τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων βοηθούν επίσης στην να αναγνωρίζουν και να δημιουργούν υποψήφια μόρια (δέσμες κλειδιών) που θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τον στόχο. Αντί να δοκιμάζονται φυσικά εκατομμύρια ενώσεις, ένα εικονική προβολή σε τεράστιες βάσεις δεδομένων για τον εντοπισμό των καλύτερων υποψηφίων. Έτσι, αυτό που παλαιότερα χρειαζόταν δύο έως τέσσερα χρόνια, πλέον επιτυγχάνεται σε πολύ λιγότερο χρόνο και με μικρότερη επένδυση χρημάτων και προσπάθειας.

Στάδιο 2: Προκλινική φάση

Στην προκλινική φάση, οι πιο υποσχόμενες ενώσεις που εντοπίζονται λαμβάνονται και μελετώνται αυστηρά για την αξιολόγηση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητάς τους. Αυτές οι μελέτες συνήθως διεξάγονται τόσο in vitro (σε κύτταρα και ιστούς) ως ίη νίνο (σε ζώα). Αλλά, Η χημειοπληροφορική επιτρέπει την προσομοίωση όλων αυτών των μελετών σε πυρίτιοδηλαδή, σε έναν υπολογιστήκαι με αποτελέσματα πολύ παρόμοια με αυτά των εργαστηριακών δοκιμών. Φυσικά, αυτό εξοικονομεί πόρους και χρόνο και αποφεύγει τη σύνθεση εκατοντάδων άχρηστων παραλλαγών.

Στάδιο 3: Φάσεις κλινικών δοκιμών

Εάν οι προκλινικές μελέτες είναι επιτυχείς, η ένωση προχωρά σε δοκιμές σε ανθρώπους. Φυσικά, μια τέτοια ένωση μπορεί να είναι πολύ ισχυρή σε δοκιμαστικό σωλήνα ή σε ψηφιακή προσομοίωση. Αλλά εάν το ανθρώπινο σώμα δεν την απορροφήσει, είναι τοξική ή το ήπαρ την μεταβολίσει πολύ γρήγορα, θα πρόκειται για αποτυχία του φαρμάκου. Επομένως, πριν από τις δοκιμές σε ανθρώπους, είναι απαραίτητο να διεξαχθεί μια... Δοκιμή Πρόβλεψης Ιδιοτήτων ADMET, η οποία μετρά την Προσρόφηση, την Κατανομή, τον Μεταβολισμό, την Απέκκριση και την Τοξικότητα της ένωσης στο ανθρώπινο σώμα.

Ευτυχώς, Τα μοντέλα χημικής πληροφορικής μπορούν επίσης να εκτελέσουν δοκιμές πρόβλεψης ιδιοτήτων ADMETΑυτό μπορεί να γίνει ακόμη και πριν από τη δοκιμή της ένωσης σε ζώα, προκειμένου να αποκλειστούν έγκαιρα προβληματικοί υποψήφιοι. Και πάλι, η εκτέλεση αυτών των ψηφιακών προσομοιώσεων μειώνει τον αριθμό των αποτυχημένων κλινικών δοκιμών, καθώς και την ανάγκη χρήσης των υποκειμένων (και τον επακόλουθο ηθικό αντίκτυπο).

Συμπερασματικά, είδαμε σε γενικές γραμμές τι είναι η χημειοπληροφορική και πώς βοηθά στην ανακάλυψη νέων φαρμάκων. Η επεκτασιμότητα αυτού του επιστημονικού κλάδου είναι τεράστια., επομένως αναμένονται περισσότερα και καλύτερα αποτελέσματα στο μέλλον. Συνδυάζοντας τη δύναμη της χημείας με την υπολογιστική νοημοσύνη, ανοίγεται ένα ολόκληρο σύμπαν δυνατοτήτων για την ταχύτερη, ακριβέστερη και οικονομικότερη θεραπεία ασθενειών.