新薬を患者に投与する前に安全性を確認することは不可欠です。そのため、潜在的なリスクや副作用を検出する目的で、世界中で毎年、何百万匹もの動物を使って薬剤が試験されています。しかし研究によると、心臓のコンピューターシミュレーションは、患者向けの医薬品開発を改善し、動物実験の必要性を減らす可能性があります。
これまで、新薬を調べるうえで動物実験は最も正確で信頼性の高い方法でしたが、費用と時間がかかり、人によっては非常に物議を醸す方法でもあります。
また、動物と人間の違いにより、一部の副作用を見逃す可能性もあります。このため薬剤試験には特に問題があり、より良く安全な医薬品の開発を可能にする新たな試験方法が必要であることは明らかです。
人間と他の動物
人間の心臓に生じる可能性のある副作用を予測するため、ラット、マウス、ウサギ、モルモット、イヌ、ブタなど、さまざまな動物種が毎年、医薬品開発に用いられています。
基礎となる生物学的仕組みは似ていますが、動物と人間の細胞のわずかな違いは、患者が薬を服用すると増幅されます。そのため、患者のリスク予測の正確さはおよそ（75%～85%）に限られることが研究で示されており、さらに医薬品が市場から撤退する事態も、心血管系の安全性の問題を理由に生じています。
しかし現在では、新しい心臓薬を「仮想の人間」で試験することが可能です。オックスフォード大学の最近の研究は、コンピューターサイエンス学部において、人間の心臓細胞を表す計算モデルが、危険な不整脈などの有害な薬剤作用を予測する際、動物モデルより高い正確性（89～96%）を示すことを明らかにしました。危険な不整脈とは、心拍が不規則になり、停止することもある状態です。
この結果は、人間の計算モデルによって、薬剤試験の初期段階における動物実験を減らし、薬の安全性を高めて臨床試験中の患者のリスクを下げ、医療を緊急に必要とする患者向けの医薬品開発を加速するという、さらなる利点が得られることを示しています。
心臓のコンピューターモデル
英国の生物学者デニス・ノーブルは、1960年にオックスフォードで心臓のコンピューターモデルの実験を始めました。それ以来、技術は進歩し、産業や臨床の現場に導入できる段階に達しています。
人間を対象とした実験データのおかげで、人間のコンピューターモデルは単一の細胞から心臓全体までさまざまなスケールで利用できるようになりました。健康な状態や病気の状態、さらには薬剤の作用下における人間の心臓のふるまいを調べるために活用できます。
すべての人に同じモデルを当てはめる方法に代わり、集団に基づく新たなアプローチも登場しています。人はそれぞれ異なり、特定の遺伝子変異や疾患を持つ人など、集団の一部に限って有害な副作用を引き起こす薬もあります。
研究は、計算心血管科学チームによって実施され、人間の心臓細胞を対象にしたコンピューターモデルは、薬剤によって引き起こされる人間の心臓への副作用を予測する際、動物実験より正確であることを明らかにしました。この研究は、動物実験を研究施設で代替できる可能性が評価され、国際的な賞を受賞しました。
この技術をソフトウェアに組み込み、Virtual Assayと名付けました。モデリングやシミュレーションに、専門家でなくても簡単に使えます。
このソフトウェアはMicrosoft Windows向けのシンプルなユーザーインターフェースを備え、人間のデータに基づいて、特定の特性を持つ健康な心臓細胞の対照集団を構築できます。その後、結果を分析する前に、コンピューター上でシミュレーションする、いわゆるインシリコ薬剤試験を実行できます。全体の処理は非常に速く、最新のノートパソコンなら、人間の心臓細胞モデル100個からなる集団を使って、1つの薬剤を5分未満で試験できます。
複数の製薬会社がすでにVirtual Assayを使用・評価しており、このソフトウェアは利用可能で、無料の学術ライセンスが用意されています。臨床医や製薬会社が使用できます。
この研究は、薬剤の安全性試験にコンピューターモデルを取り入れる広範な動きの一環であり、これには包括的in vitro催不整脈アッセイ構想も含まれます。この構想は、米国食品医薬品局などの組織が推進しています。
コンピューターサイエンスの限界を押し広げる
心臓細胞のシミュレーションは数分で実行できますが、心臓全体の3Dコンピューターモデルには依然として膨大な計算能力が必要です。たとえば、スーパーコンピューターでほぼ1,000基のプロセッサーを使っても、心拍1回の計算に約3時間かかることがあります。
現在、薬剤の心臓に対する安全性と有効性をより大規模に調べるため、心臓の3Dシミュレーションに取り組んでいます。心臓周辺の動脈の1つで血流が妨げられる急性虚血など、病気の状態も調べます。この研究は、人間の全身を対象としたコンピューターモデル、すなわち仮想の人間を構築する欧州CompBioMedプロジェクトの一環でもあります。
大学、製薬業界、規制当局が協力することで、心臓薬の安全性と有効性を評価する、人間を基盤としたインシリコ手法の普及を加速させたいと考えています。
コンピューターシミュレーションは、動物実験に比べて速く、安価で、効果的な代替手段であり、まもなく医薬品開発の初期段階で重要な役割を果たすでしょう。
