Rato virtual com IA testa nanomedicina sem usar animais vivos

Quando um tumor consegue aninhar-se no cérebro de um ser vivo, ele fez – do ponto de vista do tumor – algo particularmente inteligente. Escondeu-se atrás de uma das barreiras mais poderosas com as quais o corpo protege os seus órgãos mais importantes: a barreira hematoencefálica, um filtro altamente seletivo que só permite a passagem de certas substâncias. A maioria das drogas não está entre elas. É, portanto, um grande desafio para a investigação biomédica encontrar uma quimioterapia eficaz para tumores cerebrais.

Nos últimos anos, os pesquisadores encontraram um aliado promissor: a nanotecnologia. Os materiais em nanoescala podem, figurativamente falando, assumir o papel de carteiros que entregam os princípios ativos no endereço certo. Como as nanopartículas são inimaginavelmente pequenas – cerca de 500 vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano médio – algumas conseguem passar através das barreiras protetoras do corpo sem danificá-las. Seguindo o exemplo dos tumores cerebrais, as nanopartículas poderiam transportar medicamentos quimioterápicos através da barreira hematoencefálica, onde podem combater o tumor cerebral.

Em busca do nanomaterial certo

No entanto, dependendo da tarefa que têm de desempenhar, as nanopartículas devem ter propriedades muito específicas: dependendo da sua forma, composição material e tamanho, distribuem-se de forma muito diferente no corpo e acumulam-se em diferentes órgãos. Portanto, é importante descobrir quais partículas desempenham melhor sua tarefa e causam o menor dano possível. Até agora, os investigadores usaram principalmente modelos de ratos para responder a estas questões: administraram vários tipos de nanomateriais a ratos e depois examinaram como estes se distribuíam no corpo do rato e quais os efeitos secundários que causavam. No entanto, estes estudos em animais não são apenas complexos, demorados e caros, mas também levantam questões éticas. Não é sem razão que a legislação suíça em matéria de bem-estar animal exige que o número de experiências com animais realizadas seja mantido ao mínimo necessário.

Mouse AI com uma vantagem decisiva

O investigador da Empa Jimeng Wu, estudante de doutoramento nos laboratórios «Nanomateriais em Saúde» e «Tecnologia e Sociedade» da Empa, desenvolveu assim um rato virtual que utiliza IA para realizar estes testes de uma forma muito mais eficiente em termos de tempo. Wu baseou este chamado modelo farmacocinético de base fisiológica (modelo PBPK) em 18 estudos com ratos: dados de experimentos conduzidos por várias equipes de pesquisa em ratos vivos. Ela também integrou um método estatístico, análise bayesiana com simulações de Monte Carlo em cadeia de Markov, em seu modelo.

O resultado é um mouse virtual que pode ser administrado – também virtualmente – com nanopartículas. O modelo então calcula sua distribuição no corpo do rato com base em propriedades como tamanho, revestimento e carga superficial. Comparado a um modelo PBPK tradicional, que é calibrado para uma única substância por vez, o mouse AI de Wu tem uma vantagem decisiva: “O modelo pode adaptar seus parâmetros às propriedades mensuráveis ​​da respectiva nanopartícula”, explica Jimeng Wu. A ferramenta deve essa capacidade ao modelo de regressão linear multivariada, uma abordagem de aprendizado de máquina.

Contribuição para um design seguro e sustentável

“Esta ferramenta de triagem apoiada por IA permite que os pesquisadores testem virtualmente que tipo de nanopartículas são mais adequadas para uma tarefa específica antes mesmo de fabricarem essas partículas”, explica Jimeng Wu. Isto não só economiza tempo, mas também custos, porque fornece uma ajuda na tomada de decisões antes do início de um ensaio clínico dispendioso.

“O modelo contribui assim para o conceito de Seguro e Sustentável desde o Design (SSbD)”, acrescenta Peter Wick, que está a supervisionar a tese de doutoramento de Jimeng Wu juntamente com o seu colega Bernd Nowack. Isso porque o mouse virtual aumenta a segurança de novos materiais ou terapias antes mesmo de serem desenvolvidos. No entanto, ele ressalta que o conjunto de dados utilizado para treinar o modelo ainda é muito limitado: até o momento, foram encontrados apenas 18 artigos revisados ​​por pares com qualidade de dados suficiente. “Em muitos estudos, as propriedades das nanopartículas utilizadas não são descritas com detalhes adequados”, observa ele. A tarefa agora é alimentar o mouse virtual com dados adicionais do estudo e verificá-los, a fim de aumentar ainda mais a confiabilidade das previsões. «O nosso objetivo a longo prazo é encurtar o processo de desenvolvimento de materiais nanomedicinais até à sua utilização como medicamento em pacientes, ao mesmo tempo que, idealmente, conseguimos evitar testes em animais», sublinha.

Adaptando o modelo para doenças humanas

A pesquisa futura de Jimeng Wu também se concentrará na chamada “estratégia de ponte” para transferir o princípio do seu modelo in silico para a pesquisa em seres humanos. Para tanto, ela planeja incorporar os princípios do mouse virtual em um modelo PBPK humano. Ao contrário do seu rato simulado, que apenas calcula a distribuição de nanopartículas no fígado, rins, pulmões e baço, um modelo humano in silico também poderia ser usado para estudar órgãos-alvo sensíveis – por exemplo, para investigar até que ponto certas nanopartículas podem atravessar a barreira hematoencefálica. Mesmo o tumor cerebral mencionado no início já não se sentiria seguro atrás desta barreira – as nanopartículas poderiam actuar como “carteiros” e entregar um pacote contendo uma dose específica de quimioterapia.