Silicio vs carbonio: la sperimentazione si farà virtuale?

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Quando si parla di sperimentazione animale, normalmente ci si divide in fazioni: chi ne  riconosce la necessaria utilità, e chi invece è fortemente contrario, invocando la necessità di nuovi e più affidabili metodi di ricerca.

Chi è nel settore sa bene che, nonostante i grandi progressi in termini di modellazione e simulazione biologica (ad esempio gli organoidi e gli organs-on-chip), siamo ancora lontani dalla possibilità di applicare routinariamente i famosi “metodi alternativi”, ma ci si sta muovendo molto in questo senso.

Una ricerca, pubblicata qualche mese fa su “Frontiers in Physiology”, ma che ha avuto una certa risonanza solo negli ultimi giorni, si propone proprio di esplorare alcune innovative possibilità nel campo dello sviluppo dei farmaci, confrontando l’accuratezza predittiva degli effetti cardiotossici di alcuni preparati tra modelli in silico rispetto a quelli su animale.

I limiti attuali nella determinazione pre-clinica degli effetti avversi

Le aritmie iatrogene, o più in generale la cardiotossicità da farmaci, sono uno dei motivi principali di sospensione o riduzione di alcune terapie nei pazienti cardiopatici (e non); per scongiurare tali eventualità, ci si affida ad un procedimento complesso che prevede diverse tappe, prima in silico, poi in vitro ed infine in vivo su animale.

Studi indipendenti, avevano dimostrato che la capacità predittiva di cardiotossicità dei test su animale fosse del 75%, insufficiente se si considerano le aumentate necessità di sicurezza e affidabilità richieste attualmente; sulla base di ciò, sono stati costruiti diversi sistemi per calcolare il rischio e il tipo di effetti avversi di vari farmaci sui tessuti umani, nella fattispecie sul cuore, utilizzando software dedicati; il presente studio ha come scopo proprio quello di valutarne l’accuratezza rispetto ai modelli tradizionali in vivo e vitro, mostrando inoltre come sia possibile ottenere altre informazioni importantissime, non estrapolabili diversamente con la stessa efficacia.

Lo studio

Setting in silico

Dapprima, è stato messo a punto il setting sperimentale in silico, utilizzando un software già noto nel settore, chiamato Virtual Assay, che simula, utilizzando i dati presi da studi precedenti, il potenziale d’azione di un cardiomiocita ventricolare umano, con particolare attenzione ai meccanismi pro-aritmogeni. Il programma ha permesso lo studio delle correnti cellulari precoci e tardive di tutti i principali ioni responsabili della determinazione del potenziale d’azione (Na, K, Ca).

Per quanto riguarda i farmaci indagati, sono stati selezionati 62 composti, tutti classificati in base probabilità di indurre una particolare aritmia, detta Torsade de pointes (TdP), caratterizzata da QRS anomali ed ampi e da intervalli Q-T particolarmente lunghi. Per ogni farmaco sono stati indagati gli effetti su riproduzioni computerizzate dei canali ionici cardiaci, testati a concentrazioni differenti di farmaco. Tali effetti sono stati poi valutati sulla base del cambiamento espresso dai parametri del potenziale d’azione (biomarkers di artimia) e sulla capacità di influenzare negativamente la ripolarizzazione e la depolarizzazione. Da ciò si è ottenuto uno score, chiamato TdP score, che permette di predire il rischio di torsione di punta ai tassi di ripolarizzazione e quindi il rischio sul paziente in carne ed ossa.

Setting in vitro ed in vivo

I dati sono stati ottenuti da studi precedenti su conigli e cellule staminali umane (hiPS-CMs), poi normalizzati per il confronto. In questo caso il parametro più considerato, per la predizione del rischio di aritmia è l’allungamento dell’intervallo QT.

Risultati

I principali risultati, ottenuti dal confronto con metodi opportuni, tra i valori in silico, in vivo ed in vitro, sono stati 4:

  • Dimostrazione che la presenza di ripolarizzazione innescata da farmaci nella simulazione al computer è un ottimo indicatore di possibili effetti indesiderati, avendo un’accuratezza del 96% ed una specificità del 92%, di molto superiore rispetto all’utilizzo, come indicatore, dell’allungamento del QT (utilizzata ampiamente negli studi in vivo su animale);
  • La variazione nelle correnti di cardiomiociti virtuali è simile a quella dei reali pazienti, costituendo un modello valido anche per la patologia;
  • Lo score TdP è un buon strumento per valutare la probabilità di effetti avversi indotti da farmaci;
  • Gli effetti dei farmaci in vivo sono simili a quelli in silico;

A tutto questo si aggiunge la possibilità di studiare nel dettaglio gli effetti fenotipici della presenza di variazioni di certi canali piuttosto che altri, potendosi adattare ad una varietà di situazioni. In generale, quindi, la metodica si rivela particolarmente efficace nella valutazione pre-clinica di effetti aritmici indotti da farmaci, nonché i profili ionici più a rischio di sviluppare conseguenze.

Conclusioni

Da quanto scritto emerge che sicuramente siamo davanti a qualcosa di molto valido (sebbene embrionale): un approccio potenzialmente rivoluzionario che potrebbe cambiare il modo di fare ricerca. Entrando, se ben implementato e corroborato, nella routine dei ricercatori in farmacologia, semplificherebbe le procedure, abbattendo i costi e riducendo l’impiego di animali nella sperimentazione.

Ulteriori studi dovranno quindi confermarne la validità e colmarne i limiti, tra cui:

  • La dipendenza dei risultati dai dati immessi in input, che devono pertanto essere accuratamente raccolti e corretti;
  • La relatività dei risultati ottenuti dal testare un farmaco su una singola simulazione elettrofisiologica, senza considerare la totalità del tessuto o dell’organo nei quali potrebbero entrare in gioco altri meccanismi confondenti;
  • La necessità di avere altri dati che permettano di riprodurre virtualmente in maniera più precisa e consistente i canali ionici.

FONTI | articolo completo

ALTRE LETTURE| Scientific American