Mô phỏng kỹ thuật giúp tiết giảm chi phí phát triển thuốc hô hấp
Mô hình hóa và mô phỏng máy tính giúp các nhà nghiên cứu hình dung rõ hơn các chức năng phổi để thử nghiệm lâm sàng nhanh hơn, ít tốn kém hơn về các loại thuốc hô hấp mới tạo ra.
Chi phí phát triển thuốc hô hấp
Chi phí phát triển một loại thuốc điều trị hít mới cho các bệnh về đường hô hấp như hen suyễn, khí phế thũng và xơ nang được ước tính khoảng hơn 1 tỷ USD - cao nhất trong ngành dược phẩm. Con số này đáng kể hơn nhiều so với việc phát triển các loại thuốc để điều trị ung thư hoặc rối loạn thần kinh. [1]
Nguyên nhân chính của chi phí cực kỳ cao này là các phương pháp thử nghiệm hiện tại để đánh giá hiệu quả của thuốc hô hấp chỉ là các đo đạc thô sơ về kết quả lâu dài của bệnh nhân. Mặc dù vậy, các phương pháp như vậy cực kỳ tốn kém và mất thời gian, vì nhiều bệnh nhân phải được thử nghiệm trong một thời gian dài. Các nhà nghiên cứu đang giải quyết những vấn đề này với lĩnh vực mô hình silico mới nổi, sử dụng mô phỏng máy tính để tăng tốc các nghiên cứu y học và cung cấp chi tiết hơn so với thực tế với công việc trong phòng thí nghiệm rộng rãi và thử nghiệm lâm sàng trên diện rộng.
Đặc biệt, nhiều nghiên cứu về hô hấp silico dựa trên mô phỏng động lực học chất lỏng để tạo ra hình ảnh chính xác của các chức năng phổi, chẳng hạn như thể tích và sự cản trở đường thở cho từng bệnh nhân. Kỹ thuật này đã được sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc hô hấp của động vật và - bởi vì các thông số chức năng tương tự có thể được đo ở người - cho phép các nhà nghiên cứu tiến hành hiệu quả hơn từ thử nghiệm tiền lâm sàng đến thử nghiệm lâm sàng. Bằng cách định lượng chính xác những thay đổi tương đối nhỏ trong chức năng phổi, phương pháp này có thể chứng minh hiệu quả của thuốc hô hấp nhanh hơn khi sử dụng ít bệnh nhân hơn. Điều này có khả năng cắt giảm nhiều năm từ quá trình phát triển và giảm chi phí hàng trăm triệu đô la.
Tiêu chuẩn vàng hiện tại để kiểm tra các bệnh đường thở là FEV1, thể tích không khí thở ra trong giây đầu tiên của một động tác thở ra bắt buộc bắt đầu từ mức tổng dung tích phổi. Một cách tiếp cận khác sử dụng rộng rãi để đánh giá bệnh nhân bị rối loạn phổi là Bảng câu hỏi hô hấp Saint George (SGRQ), một bộ câu hỏi nhằm mục đích đo lường so sánh sức khỏe của bệnh nhân.
Những phương pháp này được phát triển chủ yếu để đo lường sự tồn tại lâu dài, nhưng chúng thiếu độ nhạy để tương quan với sự khác biệt tinh tế trong nhịp thở khó xác định và định lượng hơn. Do sự không chắc chắn của các thông số và sự khác biệt giữa chúng, các nhà nghiên cứu phải dành thời gian và chi phí đáng kể để thu thập dữ liệu về hiệu quả của thuốc và trung bình kết quả trên các nhóm lớn người tham gia trong thời gian kéo dài.
Chi phí tiềm năng và giảm thời gian phát triển thuốc hô hấp thông qua hình ảnh chức năng cụ thể của bệnh nhân và mô phỏng máy tính dựa trên [1].
Khung thời gian cho sự phát triển thuốc hô hấp là đáng kinh ngạc. Các nghiên cứu trên động vật tiền lâm sàng thường mất từ hai đến bốn năm, sau đó cần thêm thời gian để chuyển từ nghiên cứu trên động vật sang thử nghiệm lâm sàng ở người do thiếu mối tương quan và mẫu số chung giữa các loài khác nhau. Các thử nghiệm lâm sàng sau đó kéo dài năm đến bảy năm và có thể liên quan đến hàng ngàn bệnh nhân. Các cơ quan quản lý phải mất tới ba năm để giải thích và xác minh các kết quả thử nghiệm lâm sàng. Tổng thời gian thêm từ chín đến 14 năm trước khi đăng ký thuốc diễn ra và thuốc có sẵn theo toa từ các chuyên gia chăm sóc sức khỏe.
Điều này khiến các công ty dược phẩm chỉ còn vài năm để bù lại chi phí phát triển trước khi hết hạn bằng sáng chế 15 năm. Sự phát triển kéo dài làm tăng giá bán lẻ thuốc hô hấp, làm trì hoãn nghiêm trọng tính khả dụng cho bệnh nhân. Quá trình này thường không khuyến khích các công ty dược phẩm mạo hiểm nguồn lực đáng kể cho một ROI (lợi tức đầu tư) không chắc chắn.
Đánh giá sự thay đổi về thể tích và sức cản đường thở thông qua hình ảnh chức năng sử dụng tính toán động lực học chất lỏng [2].
Bằng cách định lượng một lớp các thông số chức năng mới liên kết chặt chẽ hơn với các thay đổi ở phổi, mô hình hóa và mô phỏng máy tính có khả năng làm giảm đáng kể thời gian và chi phí phát triển thuốc hô hấp. Kết quả dữ liệu hình ảnh chức năng cụ thể của bệnh nhân là một thành phần quan trọng của lĩnh vực mới nổi này, được gọi là y học tịnh tiến. Các nhà nghiên cứu trong chuyên ngành này liên tục tìm kiếm các thông số có thể tạo điều kiện cho việc chuyển đổi thuốc từ giai đoạn tiền lâm sàng sang lâm sàng. Các phương pháp như vậy đã được sử dụng để thể hiện cấu trúc hô hấp của động vật trong nghiên cứu cấu hình hô hấp và mô hình lắng đọng cho các thiết bị hô hấp khác nhau. Trong các nghiên cứu này, các thông số chung về thể tích và sức cản đường thở được xác định thông qua hình ảnh chức năng cung cấp cho sự chuyển đổi hiệu quả hơn từ các thử nghiệm lâm sàng sang tiền lâm sàng.
Phân đoạn hệ thống hô hấp chuột Sprague Dawley [4] minh họa mô hình hóa các cấu trúc đường thở và thể tích thùy tương ứng có nguồn gốc từ quét CT.
Bằng cách thay đổi độ dốc của đường chi phí trong biểu đồ chi phí phát triển theo thời gian, phương pháp tịnh tiến này có thể thay đổi độ dốc chi phí từ tiền lâm sàng sang thử nghiệm lâm sàng và giảm đáng kể chi phí trong toàn bộ chu kỳ. Hơn nữa, cách tiếp cận có thể nén thời gian phát triển, chuyển tới đăng ký sau này sớm hơn nhiều và do đó tăng thời gian cho công ty dược phẩm tiếp thị sản phẩm dưới sự bảo vệ bằng sáng chế. Thật vậy, hình ảnh và mô phỏng đặc thù của bệnh nhân cùng với lựa chọn và mô hình hóa ống hít có khả năng rút ngắn thời gian phát triển từ nộp bằng sáng chế đến đăng ký theo năm và tiết kiệm hàng trăm triệu đô la nếu phương pháp này được sử dụng trong toàn bộ quá trình đưa thuốc ra thị trường.
Tác động của các tiết kiệm như vậy có thể làm kinh ngạc. Khi chi phí cho việc phát triển các hợp chất mới được giảm, giá của các sản phẩm này có thể được hạ xuống mà không ảnh hưởng đến biên lợi nhuận, do đó cho phép nghiên cứu và phát triển liên tục các hợp chất mới trong ngành dược phẩm. Cuối cùng, quá trình này có thể tạo điều kiện cho các hệ thống chăm sóc sức khỏe bền vững hơn.
Hình ảnh chức năng dựa trên máy tính tạo điều kiện cho phương pháp tịnh tiến trong phát triển thuốc hô hấp thông qua việc sử dụng các thông số phổ biến trong việc chuyển từ nghiên cứu tiền lâm sàng sang thử nghiệm lâm sàng.
Những tiết kiệm như vậy là hoàn toàn có thể trong tương lai gần, với những bước tiến to lớn được thực hiện trong các nghiên cứu trước đây và công việc liên tục trong mô hình hóa và mô phỏng dựa trên máy tính. Công việc đầy hứa hẹn đã mở rộng giới hạn của công nghệ hình ảnh chức năng. Những phát triển gần đây trong lĩnh vực tính toán động lực học chất lỏng và mô phỏng kết cấu đã cho phép mô phỏng hành vi luồng khí phổi trong đường thở phổi cũng như đặc trưng cho mô xung quanh. Nghiên cứu dựa trên hình học được trích xuất trực tiếp từ chụp cắt lớp vi tính độ phân giải cao (HRCT).
Dựa trên công trình này, các công nghệ dựa trên máy tính có tiềm năng cho các nhà nghiên cứu thực hiện mô hình hóa và mô phỏng để rút ra các thông số chức năng như sức cản đường thở như một dấu ấn sinh học trên từng bệnh nhân. Một số thử nghiệm được công bố - bao gồm các nghiên cứu FluidDA, - sử dụng các mô hình dựa trên HRCT dành riêng cho bệnh nhân này có thể mô tả các mô hình dòng chảy khác biệt trong hệ hô hấp. Một số nghiên cứu này tập trung vào tác dụng của thuốc hít và đánh giá những thay đổi tiếp theo về thể tích và sự cản đường thở thông qua hình ảnh chức năng bằng phần mềm động lực học chất lỏng ANSYS FLUENT. [2]
Nghiên cứu tương quan cho thấy đồng nhất tốt với các thông số lâm sàng. Các phương pháp tương tự có thể được sử dụng để đánh giá cấu trúc hô hấp của động vật trong các thiết bị nghiên cứu tiền lâm sàng và đường hô hấp. Thành công trong công việc này chứng minh giá trị của hình ảnh chức năng trong cả giai đoạn phát triển lâm sàng và tiền lâm sàng cũng như tiềm năng to lớn của cách tiếp cận trong việc cách mạng hóa sự phát triển của các hợp chất thuốc hít mới để chống lại bệnh hô hấp và cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân trên toàn thế giới.
Tài liệu tham khảo:
[1] Adams, C.P.; Brantner, V.V. Estimating the Cost of New Drug Development: Is It Really 802 Million Dollars? Health Affairs, 2006, Mar–Apr, 25(2), pp. 420–428.
[2] De Backer, J.W.; Vos, W.G.; Devolder, A.; Verhulst, S.I.; Germonpré, P.; Wuyts, F.L.; Parizel, P.M.; De Backer, W. Can Detect Changes in Airway Resistance in Asthmatics After Acute Bronchodilation. Journal of Biomechanics, 2008, 41(1), pp. 106–113.
[3] Burge, P.S.; Calverley, P.M.; Jones, P.W.; Spencer, S.; Anderson, J.A.; Maslen, T.K. Randomised, Double-Blind, Placebo-Controlled Study of Fluticasone Propionate in Patients with Moderate to Severe Chronic Obstructive Pulmonary Disease: the ISOLDE Trial. BMJ, 2000 (May 13), 320(7245), pp. 1297–1303.
[4] De Backer, J.W.; Vos, W.G.; Burnell, P.; Verhulst, S.L.; Salmon, P.; De Clerck, N.; De Backer, W. Study of the Variability in Upper and Lower Airway Morphology in Sprague-Dawley Rats Using Modern Micro-CT Scan-Based Segmentation Techniques. The Anatomical Record, 2009, May, 292(5), pp. 720–727.
Nguồn: www.ansys.com
Lược dịch: Trần Minh Ngọc - Advantech, Jsc.
Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này.
- Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này