Čo je chemoinformatika a ako pomáha pri objavovaní nových liekov?

Vedeli ste, že objavenie nového lieku trvá 10 až 15 rokov a stojí miliardy dolárov? Množstvo investovaného času, peňazí a úsilia je obrovské, ale to všetko sa mení vďaka vedeckej disciplíne známej ako chemoinformatika.Čo to je a ako to pomáha objavovať nové liekyOdpoveď je rovnako vzrušujúca ako zložitá a v tomto príspevku si ju vysvetlíme jednoduchým spôsobom.

Čo je cheminformatika? Vzrušujúce spojenie chémie a informatiky

Pochopiť Čo je chemická informatika?Predstavte si, že musíte nájsť jedinečný kľúč, ktorý otvorí extrémne zložitý zámok. Ale kľúč je ukrytý medzi horou desiatich miliárd rôznych kľúčov. Aká úloha! Viete si predstaviť, koľko času a úsilia by trvalo manuálne vyhľadanie a vyskúšanie každého kľúča jeden po druhom?

Farmaceutický priemysel čelí tejto monumentálnej výzve. Zámok predstavuje proteín spôsobujúci ochorenie a kľúč je chemická molekula, ktorú by bolo možné premeniť na liek. Po desaťročia... Odborníci použili „manuálne“ systémy na nájdenie každého nového lieku, investujúc skutočne obrovské množstvo času, peňazí a úsilia.

Vráťme sa k analógii a predstavte si, že teraz máte inteligentný systém Dokáže okamžite vylúčiť deväť z desiatich kľúčov, ktoré sa nehodia. Systém vám tiež pomôže predpovedať, ktoré kľúče majú najsľubnejší tvar, zhromaždiť ich a roztriediť do skupín. Skvelé! To je v podstate kúzlo chemickej informatiky.

Čo je chemická informatika? Podľa portálu PubMed, „je oblasť informačných technológií, ktorá sa zameriava na zhromažďovanie, ukladanie, analýzu a manipuláciu s chemickými údajmi.“ Táto vedecká disciplína využíva techniky informatiky a dátovej vedy na riešenie zložitých problémov v chémiiZameriava sa predovšetkým na objavovanie liekov, ale má uplatnenie aj vo viacerých sektoroch (agrochemikálie, potraviny atď.).

Dva základné piliere: Dáta a algoritmy

Aby sme pochopili, ako chemiinformatika funguje, musíme sa porozprávať o jej dvoch základných zložkách: chemické údajena jednej strane a na algoritmy a modely, na druhej strane. Tie sa používajú na spracovanie chemických údajov, a tým na získanie užitočných informácií, ktoré umožňujú optimalizáciu vývoja liekov. Na to je najprv potrebné digitalizovať všetky údaje týkajúce sa každej existujúcej chemickej zlúčeniny.

Takže to všetko začína tým, digitalizácia molekúlTieto je možné digitálne reprezentovať pomocou špeciálnych formátov (ako sú súbory SMILES, InChI alebo SDF), ktorým počítač rozumie a ktoré dokáže spracovať. Samozrejme, nehovoríme o jednoduchých kresbách: tieto súbory kódujú informácie, ako sú atómy, ich väzby, ich trojrozmerná štruktúra, elektrický náboj, fyzikálne vlastnosti atď. Výsledkom je existencia gigantických databáz, ktoré uchovávajú milióny molekúl, prírodných aj syntetických.

• Keď sú chemické zlúčeniny so všetkými ich vlastnosťami prenesené do digitálnej roviny, je možné na ne aplikovať výpočtové nástroje.
• O tomto je chemická informatika: aplikácia chemických údajov štatistiky, strojové učenie, umelá inteligencia, dolovanie dát a metódy rozpoznávania vzorov.
• Všetky tieto algoritmy a modely výrazne urýchľujú analýzu takého obrovského množstva údajov s konečným cieľom vývoja liekov.

Ako chemická informatika pomáha objavovať nové lieky

V podstate sa chemická informatika zaoberá optimalizovať každú fázu procesu objavovania a vývoja liekovStojí za zmienku, že tento proces je dlhý a zložitý cyklus, ktorý môže trvať 10 až 15 rokov a stáť miliardy dolárov. Veľká časť tohto úsilia sa však vďaka fúzii chémie a informatiky výrazne zjednodušila. Pozrime sa, ako je to možné v počiatočných fázach vývoja liekov:

Fáza 1: Objavovanie a výskum

Pri tvorbe lieku vedci najprv skúmajú, čo spôsobuje ochorenie. V rámci tejto príčiny, Identifikujú biologický cieľ alebo úlohu (ako napríklad proteín alebo gén), ktorý je možné zmeniť na liečbu ochorenia.V tomto bode chemická informatika pomáha zistiť, či je cieľ „liečiteľný“, teda či má skrutka (návrat k pôvodnej analógii), v ktorej sa zavádza kľúč (molekula) sa ju pokúsiť modifikovať.

Okrem toho, techniky spracovania údajov pomáhajú aj identifikovať a vytvoriť kandidátske molekuly (zväzky kľúčov), ktoré by mohli interagovať s cieľom. Namiesto fyzického testovania miliónov zlúčenín, virtuálny skríning v rozsiahlych databázach s cieľom identifikovať najlepších kandidátov. To, čo kedysi trvalo dva až štyri roky, sa teraz zvládne za oveľa kratší čas a s menšou investíciou peňazí a úsilia.

2. fáza: Predklinická fáza

V predklinickej fáze sa vyberú najsľubnejšie identifikované zlúčeniny a dôkladne sa študujú s cieľom vyhodnotiť ich bezpečnosť a účinnosť. Tieto štúdie sa zvyčajne vykonávajú in vitro (na bunkách a tkanivách) ako in vivo (u zvierat). Ale, Chemoinformatika umožňuje simuláciu všetkých týchto štúdií kremíka, teda na počítači... a s výsledkami veľmi podobnými laboratórnym testom. Prirodzene, to šetrí zdroje a čas a vyhýba sa syntéze stoviek zbytočných variantov.

Fáza 3: Fázy klinického skúšania

Ak sú predklinické štúdie úspešné, zlúčenina sa dostane do štádia testovania na ľuďoch. Takáto zlúčenina môže byť samozrejme veľmi účinná v skúmavke alebo v digitálnej simulácii. Ak ju však ľudské telo neabsorbuje, je toxická alebo ju pečeň metabolizuje príliš rýchlo, liek zlyhal. Preto je pred testovaním na ľuďoch potrebné vykonať Predikčný test vlastností ADMET, ktorý meria adsorpciu, distribúciu, metabolizmus, vylučovanie a toxicitu zlúčeniny v ľudskom tele.

Našťastie, Chemicko-informatické modely môžu tiež spúšťať testy predikcie vlastností ADMET.Toto sa dá urobiť ešte pred testovaním zlúčeniny na zvieratách, aby sa včas vylúčili problematickí kandidáti. Vykonávanie týchto digitálnych simulácií opäť znižuje počet neúspešných klinických štúdií, ako aj potrebu použitia testovaných subjektov (a následný etický dopad).

Na záver sme si v hrubých rysoch ukázali, čo je chemoinformatika a ako pomáha objavovať nové lieky. Škálovateľnosť tejto vedeckej disciplíny je obrovská., takže sa v budúcnosti očakávajú ďalšie a lepšie výsledky. Kombináciou sily chémie s výpočtovou inteligenciou sa otvára celý vesmír možností pre rýchlejšiu, presnejšiu a ekonomickejšiu liečbu chorôb.