מהי כימאינפורמטיקה וכיצד היא מסייעת בגילוי תרופות חדשות?

האם ידעתם שגילוי תרופה חדשה לוקח בין 10 ל-15 שנים ועולה מיליארדי דולרים? כמות הזמן, הכסף והמאמץ המושקעים היא עצומה, אך כל זה משתנה בזכות תחום מדעי המכונה כימאינפורמטיקה.מה זה וכיצד זה עוזר לגלות תרופות חדשותהתשובה מרגשת ומורכבת כאחד, ובפוסט הזה נסביר אותה בצורה פשוטה.

מהי כימאינפורמטיקה? המיזוג המרגש של כימיה ומדעי המחשב

להבין מהי כימאינפורמטיקה?דמיינו שאתם צריכים למצוא מפתח ייחודי שפותח מנעול מורכב ביותר. אבל המפתח מוסתר בין הר של עשרה מיליארד מפתחות שונים. איזו משימה! האם אתם יכולים לדמיין כמה זמן ומאמץ ייקח לחפש ולנסות ידנית כל מפתח בנפרד?

ובכן, תעשיית התרופות ניצבת בפני אתגר אדיר זה. המנעול מייצג חלבון הגורם למחלות, והמפתח הוא מולקולה כימית שניתן להמיר לתרופה. במשך עשרות שנים, מומחים השתמשו במערכות "ידניות" כדי למצוא כל תרופה חדשה, השקעה של כמות עצומה של זמן, כסף ומאמץ.

נחזור לאנלוגיה, דמיינו שיש לכם עכשיו מערכת חכמה היא מסוגלת לשלול באופן מיידי תשעה מתוך עשרה מפתחות שאינם מתאימים. המערכת גם עוזרת לך לחזות אילו מפתחות הם בעלי הצורה המבטיחה ביותר, לאסוף אותם ולמיין אותם לקבוצות. נהדר! זהו, בעצם, הקסם של כימאינפורמטיקה.

מהי כימאינפורמטיקה? לפי הפורטל PubMed, "הוא תחום של טכנולוגיית מידע המתמקד באיסוף, אחסון, ניתוח ומניפולציה של נתונים כימיים." תחום מדעי זה משתמש בטכניקות מדעי המחשב ומדעי הנתונים כדי לפתור בעיות מורכבות בכימיההיא מתמקדת בעיקר בגילוי תרופות, אך יש לה גם יישומים במספר מגזרים (חקלאות, מזון וכו').

שני עמודי יסוד: נתונים ואלגוריתמים

כדי להבין כיצד פועלת כימאינפורמטיקה, עלינו לדבר על שני מרכיביה החיוניים: נתונים כימיים, מצד אחד, ו- אלגוריתמים ומודלים, לעומת זאת. האחרונים משמשים לעיבוד נתונים כימיים וכך לקבלת מידע שימושי המאפשר אופטימיזציה של פיתוח תרופות. לשם כך, ראשית יש צורך להפוך את כל הנתונים הקשורים לכל תרכובת כימית קיימת לדיגיטציה.

אז הכל מתחיל עם ה- דיגיטציה של מולקולותניתן לייצג אותם באופן דיגיטלי באמצעות פורמטים מיוחדים (כגון קבצי SMILES, InChI או SDF) שמחשב יכול להבין ולעבד. כמובן, אנחנו לא מדברים על שרטוטים פשוטים: קבצים אלה מקודדים מידע כגון אטומים, קשריהם, המבנה התלת-ממדי שלהם, המטען החשמלי, תכונות פיזיקליות וכו'. כתוצאה מכך, נוצרו מסדי נתונים ענקיים המאחסנים מיליוני מולקולות, טבעיות וסינתטיות כאחד.

• ברגע שהתרכובות הכימיות, על כל מאפייניהן, מועברות למישור הדיגיטלי, ניתן ליישם עליהן כלי חישוב.
• זה מהות כימאינפורמטיקה: יישום נתונים כימיים סטטיסטיקה, ה למידה אוטומטית, בינה מלאכותית, כריית נתונים ושיטות זיהוי תבניות.
• כל האלגוריתמים והמודלים הללו מאיצים מאוד את הניתוח של כמות כה עצומה של נתונים, כאשר המטרה הסופית היא פיתוח תרופות.

כיצד כימאינפורמטיקה מסייעת בגילוי תרופות חדשות

בעיקרון, מה שעושה כימאינפורמטיקה הוא לייעל כל שלב בתהליך גילוי ופיתוח תרופותראוי לציין שתהליך זה הוא מחזור ארוך ומורכב שיכול להימשך 10 עד 15 שנים ולעלות מיליארדי דולרים. אך חלק ניכר מהמאמץ הזה פושט מאוד הודות למיזוג של כימיה ומדעי המחשב. בואו נבחן כיצד זה אפשרי בשלבים המוקדמים של פיתוח תרופות:

שלב 1: גילוי ומחקר

כדי ליצור תרופה, הדבר הראשון שמדענים עושים הוא לחקור מה גורם למחלה. בתוך אותה סיבה, הם מזהים מטרה ביולוגית או יעד (כגון חלבון או גן) שניתן לשנות כדי לטפל במחלה.בשלב זה, כימאינפורמטיקה עוזרת לדעת אם מטרה "ניתנת לסמים", כלומר, אם יש לה בְּרִיחַ (בחזרה לאנלוגיה הראשונית) שבה להציג א מפתח (מולקולה) כדי לנסות לשנות אותה.

בנוסף, טכניקות עיבוד נתונים מסייעות גם הן לזהות וליצור מולקולות מועמדות (צרורות מפתחות) שיכולים לתקשר עם המטרה. במקום לבדוק פיזית מיליוני תרכובות, א הקרנה וירטואלית במאגרי מידע עצומים כדי לזהות את המועמדים הטובים ביותר. לפיכך, מה שבעבר לקח שנתיים עד ארבע שנים מושג כיום בהרבה פחות זמן ובהשקעה קטנה יותר של כסף ומאמץ.

שלב 2: שלב פרה-קליני

בשלב הפרה-קליני, התרכובות המבטיחות ביותר שזוהו נלקחות ונחקרות בקפדנות כדי להעריך את בטיחותן ויעילותן. מחקרים אלה נערכים בדרך כלל גם יחד חוץ גופית (על תאים ורקמות) כמו in vivo (אצל בעלי חיים). אבל, כימו-אינפורמטיקה מאפשרת סימולציה של כל המחקרים הללו בסיליקוכלומר, במחשב, ועם תוצאות דומות מאוד לבדיקות מעבדה. באופן טבעי, זה חוסך משאבים וזמן, ומונע סינתזה של מאות וריאנטים חסרי תועלת.

שלב 3: שלבי הניסוי הקליני

אם מחקרים פרה-קליניים יצליחו, התרכובת עוברת לניסויים בבני אדם. כמובן, תרכובת כזו עשויה להיות חזקה מאוד במבחנה או בסימולציה דיגיטלית. אבל אם גוף האדם לא סופג אותה, היא רעילה, או שהכבד מפרק אותה מהר מדי, זה ייחשב ככישלון תרופתי. לכן, לפני הניסוי בבני אדם, יש צורך לבצע... מבחן חיזוי תכונות ADMET, המודד ספיחה, תפוצה, מטבוליזם, הפרשה ורעילות של התרכובת בגוף האדם.

למרבה המזל מודלים כימאינפורמטיקה יכולים גם להריץ בדיקות חיזוי תכונות של ADMETניתן לעשות זאת עוד לפני בדיקת התרכובת בבעלי חיים, על מנת לשלול תרופות בעייתיות בשלב מוקדם. שוב, ביצוע סימולציות דיגיטליות אלו מפחית את מספר הניסויים הקליניים הכושלים, כמו גם את הצורך להשתמש בנבדקים (ואת ההשפעה האתית הנובעת מכך).

לסיכום, ראינו בצורה כללית מהי כימאינפורמטיקה וכיצד היא מסייעת בגילוי תרופות חדשות. יכולת ההרחבה של תחום מדעי זה היא עצומה., כך שצפויות תוצאות רבות וטובות יותר בעתיד. על ידי שילוב כוחה של הכימיה עם בינה חישובית, נפתח עולם שלם של אפשרויות לטיפול במחלות במהירות, בצורה מדויקת וחסכונית יותר.