Kas yra chemoinformatika ir kaip ji padeda atrasti naujus vaistus?

Ar žinojote, kad naujo vaisto atradimas trunka nuo 10 iki 15 metų ir kainuoja milijardus dolerių? Investuojama daug laiko, pinigų ir pastangų, tačiau visa tai keičiasi dėl mokslinės disciplinos, vadinamos chemoinformatika.Kas tai yra ir kaip tai padeda atrasti naujus vaistusAtsakymas yra toks pat įdomus, kaip ir sudėtingas, ir šiame įraše jį paaiškinsime paprastai.

Kas yra cheminė informatika? Įdomus chemijos ir informatikos susiliejimas

Suprasti Kas yra cheminformatika?Įsivaizduokite, kad turite rasti unikalų raktą, kuris atrakina itin sudėtingą spyną. Tačiau raktas paslėptas tarp dešimties milijardų skirtingų raktų kalno. Kokia užduotis! Ar galite įsivaizduoti, kiek laiko ir pastangų prireiktų rankiniu būdu ieškoti ir išbandyti kiekvieną raktą po vieną?

Na, farmacijos pramonė susiduria su šiuo milžinišku iššūkiu. Spyna simbolizuoja ligą sukeliantį baltymą, o raktas – cheminę molekulę, kurią būtų galima paversti vaistu. Dešimtmečius... Ekspertai naudojo „rankines“ sistemas kiekvienam naujam vaistui rasti, investuojant išties milžinišką kiekį laiko, pinigų ir pastangų.

Grįžtant prie analogijos, įsivaizduokite, kad dabar turite sistema inteligente Ji gali iš karto atmesti devynis iš dešimties netinkančių raktų. Sistema taip pat padeda numatyti, kurie raktai yra perspektyviausios formos, juos surinkti ir surūšiuoti į ryšulius. Puiku! Tai iš esmės yra cheminės informatikos magija.

Kas yra cheminė informatika? Pasak portalo PubMed, „yra informacinių technologijų sritis, orientuota į cheminių duomenų rinkimą, saugojimą, analizę ir manipuliavimą.“ Ši mokslo disciplina naudoja kompiuterių mokslo ir duomenų mokslo metodus sudėtingoms chemijos problemoms spręstiJis daugiausia dėmesio skiria vaistų kūrimui, tačiau taip pat taikomas įvairiuose sektoriuose (agrocheminių medžiagų, maisto ir kt.).

Du pagrindiniai ramsčiai: duomenys ir algoritmai

Norėdami suprasti, kaip veikia cheminė informatika, turime aptarti du esminius jos komponentus: datos químicos, viena vertus, ir algoritmai ir modeliai, kita vertus. Pastarieji naudojami cheminiams duomenims apdoroti ir tokiu būdu gauti naudingą informaciją, leidžiančią optimizuoti vaistų kūrimą. Norint tai padaryti, pirmiausia reikia suskaitmeninti visus su kiekvienu esamu cheminiu junginiu susijusius duomenis.

Taigi, viskas prasideda nuo molekulių skaitmeninimasJuos galima pavaizduoti skaitmeniniu būdu naudojant specialius formatus (pvz., SMILES, InChI arba SDF failus), kuriuos kompiuteris gali suprasti ir apdoroti. Žinoma, nekalbame apie paprastus brėžinius: šie failai koduoja tokią informaciją kaip atomai, jų jungtys, trimatė struktūra, elektrinis krūvis, fizinės savybės ir kt. Dėl to atsirado milžiniškos duomenų bazės, kuriose saugomi milijonai molekulių – tiek natūralių, tiek sintetinių.

• Kai cheminiai junginiai su visomis jų savybėmis perkeliami į skaitmeninę plokštumą, jiems galima pritaikyti skaičiavimo įrankius.
• Štai kas yra cheminformatika: cheminių duomenų taikymas statistika aprendizaje automático, dirbtinis intelektas, duomenų gavyba ir šablonų atpažinimo metodai.
• Visi šie algoritmai ir modeliai labai pagreitina tokio didžiulio duomenų kiekio analizę, o galutinis tikslas – sukurti vaistus.

Kaip cheminformatika padeda atrasti naujus vaistus

Iš esmės, ką daro cheminformatika, tai optimizuoti kiekvieną vaistų atradimo ir kūrimo proceso etapąVerta paminėti, kad šis procesas yra ilgas ir sudėtingas ciklas, galintis trukti nuo 10 iki 15 metų ir kainuoti milijardus dolerių. Tačiau didelė dalis šių pastangų buvo labai supaprastinta dėl chemijos ir informatikos susiliejimo. Pažvelkime, kaip tai įmanoma ankstyvosiose vaistų kūrimo stadijose:

1 etapas: Atradimas ir tyrimas

Norėdami sukurti vaistą, mokslininkai pirmiausia ištiria ligos priežastį. Jie nustato biologinį taikinį arba uždavinį (pvz., baltymą ar geną), kurį galima pakeisti ligai gydyti.Šiuo metu cheminė informatika padeda nustatyti, ar taikinys yra „vaistams tinkamas“, t. y., ar jis turi cerrojo (grįžtant prie pradinės analogijos), kuria būtų galima pristatyti llave (molekulę) bandyti ją modifikuoti.

Be to, duomenų apdorojimo metodai taip pat padeda identifikuoti ir sukurti kandidatų molekules (raktų rinkiniai), kurie galėtų sąveikauti su taikiniu. Užuot fiziškai išbandžius milijonus junginių, virtuali atranka didžiulėse duomenų bazėse, siekiant nustatyti geriausius kandidatus. Taigi, tai, kas anksčiau užtrukdavo dvejus–ketverius metus, dabar atliekama per daug trumpesnį laiką ir investuojant mažiau pinigų bei pastangų.

2 etapas: ikiklinikinė fazė

Ikiklinikinių tyrimų etape paimami perspektyviausi nustatyti junginiai ir kruopščiai tiriami, siekiant įvertinti jų saugumą ir veiksmingumą. Šie tyrimai paprastai atliekami tiek in vitro (ant ląstelių ir audinių) kaip in vivo (gyvūnams). Bet Chemoinformatika leidžia imituoti visus šiuos tyrimus in silico, tai yra, kompiuteryje, ir rezultatai labai panašūs į laboratorinių tyrimų rezultatus. Žinoma, tai taupo išteklius ir laiką bei leidžia išvengti šimtų nenaudingų variantų sintezės.

3 etapas: Klinikinių tyrimų etapai

Jei ikiklinikiniai tyrimai bus sėkmingi, junginys bus tiriamas su žmonėmis. Žinoma, toks junginys gali būti labai stiprus mėgintuvėlyje ar skaitmeninėje simuliacijoje. Tačiau jei žmogaus organizmas jo neįsisavina, jis yra toksiškas arba kepenys jį per greitai metabolizuoja, vaistas bus neveiksmingas. Todėl prieš atliekant bandymus su žmonėmis būtina atlikti... ADMET savybių prognozavimo testas, kuriuo matuojama adsorbcija, pasiskirstymas, metabolizmas, išsiskyrimas ir toksiškumas junginio žmogaus organizme.

Laimei, Cheminformatikos modeliai taip pat gali atlikti ADMET savybių prognozavimo testusTai galima padaryti dar prieš pradedant junginio bandymus su gyvūnais, siekiant anksti atmesti probleminius kandidatus. Vėlgi, atliekant šias skaitmenines simuliacijas sumažėja nepavykusių klinikinių tyrimų skaičius, taip pat poreikis naudoti bandomuosius subjektus (ir dėl to atsirandantis etinis poveikis).

Apibendrinant, trumpai apžvelgėme, kas yra chemoinformatika ir kaip ji padeda atrasti naujus vaistus. Šios mokslo disciplinos mastelio keitimas yra milžiniškas., todėl ateityje tikimasi daugiau ir geresnių rezultatų. Sujungus chemijos galią su skaičiavimo intelektu, atsiveria daugybė galimybių gydyti ligas greičiau, tiksliau ir ekonomiškiau.