Biosimulering - en del af forklaringen

Publiceret April 2002

For et par uger siden afholdt ph.d.-skolen i lægemiddelforskning ved Danmarks Farmaceutiske Højskole i samarbejde med Kaosgruppen ved Institut for Fysik, DTU og Scientific Computing, Novo Nordisk A/S et minisymposium om anvendelsen af fysiologisk baserede simuleringsmodeller i udviklingen af nye lægemidler.

Blandt symposiets deltagere var udover ph.d.-studerende og medarbejdere fra DFH og DTU, repræsentanter fra de store danske medicinalfabrikker samt forskere og ph.d.-studerende fra nogle af Europas ledende grupper inden for biologisk simulering. Symposiet kombinerede på denne måde en frugtbar blanding af deltagere fra industri og akademia med en usædvanlig sammensætning af ekspertise fra fagområder, der normalt opfattes som vidt forskellige.

Kommitteret i Forskningsministeriet Knud Larsen åbnede symposiet med en beskrivelse af perspektiverne i EU's forskningsprogrammer. Han understregede især ønsket om, at Europa styrker sin forskningsindsats på det bioteknologiske område, således at vi om 5-10 år fuldt ud kan tage konkurrencen op med USA.

Symposiets udgangspunkt fra medicinalindustriens synsvinkel blev klart belyst af Forskningsdirektør Børge Diderichsen, Novo Nordisk. Det er de stadig større økonomiske risici, som den enkelte virksomhed påtager sig, når den går ind i udviklingen af et nyt lægemiddel. Der tales ofte om udviklingsomkostninger i størrelsesorden 1 mia. kr. for et enkelt produkt, og den tid der går fra udviklingsprocessen sættes i gang til produktet er godkendt og salget kan begynde kan let nærme sig 10 år. Samtidig bliver produkternes økonomiske levetid stadig kortere og kravene i forbindelse med godkendelsen bliver stadig strengere.

Denne proces truer i særlig grad de europæiske medicinalfabrikker, som i en international sammenhæng ofte er relativt små. Samtidig er den med til at gøre medicinalvarerne så dyre, at de vanskeligt kan anvendes til alle de patienter, der har behov for dem. Hvis processen fortsætter, må man forvente en stærk koncentration af medicinalindustrien, således at store virksomheder opsluger de mindre. Desuden vil medicinalproducenterne forsøge at minimere deres risici ved at placere dele af udviklingsprocessen på mindre virksomheder, som vil specialisere sig heri. Det er måske især på dette område, at danske virksomheder vil vise sig konkurrencedygtige. Men det er også her at kravene til viden, engagement og omstillingsevne er størst.

Parallelt med industriens strukturændringer må der imidlertid ske en meget væsentlig effektivisering af selve produktudviklingen. Man taler på engelsk om "accelerated drug design" og om "new safe medicins fast".

De stigende udviklingsomkostninger skyldes i høj grad de meget store udgifter, der er forbundet med den kliniske afprøvning af nye medikamenter. Denne afprøvning, der både skal dokumentere lægemidlets virkning, fastlægge den præcise dosering og sikre at der ikke optræder alvorlige bivirkninger, omfatter et betydeligt antal forsøg med cellekulturer og dyr såvel som med frivillige raske personer og patienter. Forsøgene skal gennemføres med mange forskellige patientgrupper ved forskellige doseringer, i kombination med flere andre medikamenter og over adskillige år for at sikre, at der ikke optræder uønskede langtids virkninger.

Man vil aldrig kunne undvære de kliniske forsøg. Stoffernes virkning på den levende organisme er ofte så komplicerede og uforudsigelige, at man vanskeligt på forhånd kan udtale sig om den præcise effekt. Man er nødt til at prøve. Der er da også adskillige eksempler på, at uønskede langtidseffekter først viser sig på et sent tidspunkt i afprøvningsforløbet. Men hele dette forløb, såvel som de enkelte kliniske forsøg, vil kunne effektiviseres betydeligt ved at kombinere det kliniske arbejde med opstillingen af fysiologisk baserede simuleringsmodeller.

I USA er denne udvikling allerede i fuld gang, og der er etableret en række kommercielle virksomheder, som lever af at udvikle simuleringsmodeller til den farmaceutiske industri. De godkendende myndigheder (Food and Drug Administration) har i høj grad støttet denne proces bl.a. ud fra en forventning om, at den kan reducere anvendelsen af forsøgsdyr. To af de mest kendte amerikanske simuleringsvirksomheder (Entelos og Pharsight) var repræsenteret på minisymposiet, og i sit indledende indlæg gav direktør Jytte Lyngvig fra Lægemiddelstyrelsen udtryk for, at der næppe vil gå mange år før anvendelsen af simuleringsmodeller vil indgå som et nødvendigt led i forbindelse med godkendelsen af et nyt lægemiddel.

En simuleringsmodel beskriver den tidlige udvikling af et system på grundlag af de processer, vi forestiller os udspiller sig i systemet. I forbindelse med udviklingen af et nyt lægemiddel vil modellen således kombinere en beskrivelse af de processer der kontrollerer stoffets optagelse, fordelingen i kroppen, nedbrydningen og udskillelse med en beskrivelse af de mekanismer der er bestemmende for stoffets virkning og evt. bivirkninger samt for dets samspil med andre medikamenter ved varierende fysiologiske tilstande.

Det er ikke primært data, der indgår i modellen, men en beskrivelse af de processer, mekanismer og sammenhænge vi forestiller os har betydning. Den menneskelige hjerne kan vanskeligt overskue komplicerede dynamiske sammenhænge. Men ved hjælp af en model kan man bryde systemets mekanismer op i sammenhænge, der hver for sig kan verificeres og tjekkes. Modellen har så den fordel, at logikken er streng. Modellen producerer den opførsel som følger af de mekanismer og sammenhænge, vi har lagt ind i den.

Ved hjælp af modellen kan man således afprøve, om de hypoteser man har vedrørende de væsentligste sammenhænge er korrekte. Med modellens hjælp kan man fastlægge protokollen for nye forsøg, således at forsøgsbetingelserne bliver veldefinerede, og således at forsøgene giver svar på de spørgsmål, man stiller. Ved at tilpasse modellen til de eksperimentelle resultater kan man uddrage information om processer, som ikke er tilgængelige for direkte måling, og med en god model kan man forudsige systemets opførsel under betingelser, der endnu ikke er eksperimentelt undersøgt.

Simuleringsmodeller har været brugt inden for stort set alle ingeniørvidenskabelige områder i mere end 30 år. Man simulerer i dag landingsprocedurer for fly, styringsegenskaber af biler og skibe, stabiliteten af olieboreplatforme og kemiske og biokemiske reaktorer, kontrollen af industriens produktionsprocesser, procesforløbet i teglværksovne og belastningen af telefonnetværk, veje og kloaksystemer. Formålet er, i lighed med anvendelsen i lægemiddelindustrien at forudsige et systems opførsel inden det endnu er udviklet, således at man kan eksperimentere med forskellige løsninger og undersøge grænserne for, hvornår systemet vil fungere som ønsket. Resultatet er sædvanligvis meget betydelige besparelser i udviklingstid og omkostninger.

2002_2 mosekilde.gif
Absorptionsforløb fra underhuden for hurtigt-virkende insulin med forskellige koncentrationer og injicerede voluminer. Efter Chr. Binder.

I de klassiske ingeniørmæssige anvendelser kan modellerne i høj grad baseres på veletablerede kemiske og fysiske lovmæssigheder. I biologien har vi sjældent et tilsvarende indgående kendskab til de grundlæggende lovmæssigheder. Men der er ingen grund til at overdrive denne skelnen. For det første er der mange aspekter af de tekniske systemers opførsel, som heller ikke kendes i detaljer, og på den anden side er der og også mange aspekter af de biologiske systemers funktion, som er ganske godt belyst.

I de indledende stadier af beskrivelsen fungerer modellen som et effektivt redskab til at konkretisere og afprøve forskellige ideer om systemets funktion. For en fysiker udgør modelformuleringen ofte essentielle trin i den videnskabelige proces. Det er fortolkningen af de eksperimentelle data i form af en testbar matematisk model. Dataene alene kan være interessante og sjove, men det er ikke dem vi er ude efter. Det er deres fortolkning. En verbal fortolkning alene kan synes overbevisende, men sprogets logik er ikke streng nok til, at vi kan overskue komplicerede dynamiske fænomener. I den medicinske, biologiske og biokemiske forskning burde modelformulering på samme måde fra første dag gå hånd i hånd med de kliniske forsøg.

Kaosgruppen ved Institut for Fysik, DTU har arbejdet sammen med læger, biologer og biokemikere siden vi i 1977 opstillede en større model af reguleringen af det menneskelige respirationssystem i samarbejde med læger ved Fysiologisk Institut, Århus Universitet og ved Anæstesiologisk Afdeling, Århus Kommunehospital. Formålet med denne model var i første omgang at belyse de mekanismer, der ligger bag en interessant instabilitet i vejrtrækningen, som kan optræde hos bjergbestigere, korpulente ældre personer og visse nyfødte. Denne instabilitet ytrer sig i form af kraftige svingninger i vejrtrækningen, som kan gå næsten i stå et par minutter for derefter at øges stærkt og igen næsten gå i stå. Ideen var at indbygge alle de kendte reguleringsmekanismer i modellen og derefter undersøge, hvad der mere skulle til for at gøre modellen ustabil.

Siden udviklede projektet sig til en analyse af sikkerhedsgrænserne for friskluftsflow'et i Hafnia A anæstesi apparatet. Hvis luftflow'et gennem apparatet bliver for lavt kan patienten komme til at indånde sin egen udåndingsluft med det resultat, at kultveilte koncentrationen i blodet stiger. Det vil øge patientens respirationsfrekvens og volumen med det resultat at genindåndingen stiger yderligere. Hvis friskluftsflow'et bliver tilstrækkeligt lavt vil der optræde 'run-away', hvorved patienten kvæles. I princippet kan man bestemme tærskelværdien for friskluftsflow'et eksperimentelt. Men sådanne forsøg er yderst ubehagelige, grænsende til det risikable. Ideen med projektet var derfor at erstatte de kliniske forsøg med computersimuleringer baseret på den viden om respirationssystemets funktion, man har fra en lang række andre forsøg. Ved at ændre på de indgående parametre kan modellen justeres til at tage hensyn til patientens specielle forhold, således at man kan få en personspecifik bestemmelse af den nedre grænse for friskluftsflow'et.

Omkring 1980 indledte vi et samarbejde med læger ved Niels Steensens Hospital om beskrivelse af insulinabsorption fra underhuden. Formålet med dette projekt var at forklare det usædvanlige absorptionsforløb for hurtigt-virkende insulin. Her ser man en indledende fase med en relativ langsom absorption. Efter ca. 2 timer afløses denne fase af et forløb, hvor absorptionen foregår langt hurtigere. På grundlag af de målte absorptionsforløb ved forskellige injicerede voluminer og forskellige insulinkoncentrationer formulerede vi en model, hvor balancen mellem insulin på dimer og hexamer form spiller en afgørende rolle. Hypotesen var, at kun dimer insulin kunne passere karvæggene og trænge fra vævet ind i blodbanen. Modellen kunne forklare såvel den observerede koncentrationsafhængighed som afhængigheden af det injicerede volumen  af insulinopløsning. Yderligere kunne modellen anvendes til at forudsige absorptionsforløbet for insulinopløsninger af stærkere koncentration, hvilket var af interesse i forbindelse med anvendelsen af insulinpumper. Det er et eksempel på, hvorledes man kan anvende en model til at afprøve hypoteser om fænomener, som ikke er direkte tilgængelige for måling.

Siden disse første projekter har vi bl.a. arbejdet med pulserende insulinfrigivelse fra pankreas, med nyrernes tryk-og flowregulering, og med gen-behandling af HIV-patienter. Sidstnævnte projekt havde til formål, på grundlag af de erfaringer lægerne ved Infektionsmedicinsk Afdeling på Hvidovre Hospital have indhentet gennem mange års arbejde med behandling af AIDS-patienter og forsøg på udvikling af en vaccine mod HIV, at fastlægge kriterierne for en vellykket gen-behandling, dvs. man bruger modellen til at gennemtænke behandlingsforløbet så godt man kan udfra den eksisterende viden.

Analysen af nyrernes tryk- og flowregulering foregår i samarbejde med Prof. Niels-Henrik Holstein-Rathlou, Medicinsk Fysiologisk Afdeling på Panum Instituttet. Ideen med dette arbejde var oprindelig at undersøge om de kendte mekanismer for nyrenefronernes regulering af det indkommende blodflow kan forklare dels de selvstændige svingninger i det proximale turbulustryk, der kan observeres hos rotter med normalt blodtryk, dels de irregulære (kaotiske) svingninger, der optræder hos rotter med forhøjet blodtryk. I dag, 16 år efter samarbejdet startede, er vi i gang med et projekt der skal belyse nefronernes indbyrdes vekselvirkning. Vi er særlig interesserede i, hvorledes nefronerne synkroniserer deres tryk- og flowregulering med hinanden.

Parallelt hermed har vi et samarbejde med Sune Danø og Preben Graae Sørensen ved Kemisk Institut, HCØ om studiet af koblede gærceller i en opløsning. Efter en passende behandling udviser disse gærceller glykolytiske oscillationer, og via deres vekselvirkning kan cellerne synkronisere disse oscillationer. Her drejer den modeltekniske side af projektet sig bl.a. om at bestemme, hvor forskellige cellerne kan være uden at miste deres evne til at synkronisere. Desuden er vi interesseret i at forstå, hvordan man på grundlag af målinger på systemet som helhed kan skelne mellem en situation, hvor cellerne stadig oscillerer men er ude af takt og en situation, hvor cellerne har undertrykt hinandens svingninger.

I de sidste par år har vi opbygget et samarbejde med Novo Nordisk bl.a. om at opstille kriterier for de glucose-clamp eksperimenter, der anvendes i test af ny insulinanaloger. Samtidig forsøger vi at bidrage til udviklingen af mere detaljerede modeller af de insulin-producerede beta-celler

Jeg vil konkludere, at anvendelsen af simuleringsmodeller kan være et værdifuldt værktøj ikke alene i udviklingen af nye lægemidler, men også i den grundlæggende biologiske og biokemiske forskning. Simuleringsmodellerne repræsenterer på sin vis næste trin i forhold til den bioinformatik, der har vokset sig så stærk i det forløbne årti. Hvor bioinformatikken primært registrerer statiske oplysninger om sekvenser, strukturer, relationer, m.v. beskæftiger biosimuleringen sig med dynamikken, processerne, kontrolsløjferne, etc. Biosimulering bør imidlertid ikke udvikle sig til et særligt speciale, men det er mit håb, at de fleste biologisk orienterede forskningsgrupper vil lære at benytte sig af dette værktøj.

Samtidig skal det naturligvis understreges, at der er mange andre former for biosimulering, end dem jeg her har omtalt. Grupper både på DTU og Novo Nordisk samt på mange af landets andre universiteter arbejder med simulering af biologiske molekyler, bakterievækst, celledeling, resistensudvikling, bioreaktorer, knoglevækst, nerveceller, muskelaktivering, bevægelsesapparatets dynamik, biologisk formdannelse m.v. Men der er absolut plads til en endnu større indsats på dette område.

Referencer:

  1. K.S. Jensen, E. Mosekilde, and N.-H. Holstein-Rathlou: Self-Sustained Oscillations and Chaotic Behavior in Kidney Pressure Regulation,  Mondes en Developement 54/55, 91-109 (1986)
  2. E. Mosekilde and L. Mosekilde (eds.): Complexity, Chaos and Biological Evolution, NATO ASI Series B 270, Plenum Press (1991)
  3. E. Mosekilde and O.G. Mouritsen (eds.): Modeling the Dynamics and Biological Systems, Springer Verlag (1994)
  4. E. Mosekilde: Topics in Nonlinear Dynamics ? Applications to Physics, Biology and Economic Systems, World Scientific (1996)