通常，药物的研发周期可能需要数年时间，花费数百万美元。但是，通过模拟和仿真，这个过程可以变得更快和更具成本效益。认识到了这些好处，美国食品药品监督管理局（FDA）和世界各地的学术制药项目都不约而同地选择了模拟和仿真。阅读这篇博客文章，您可以了解到如何在药物研发中进行模拟，并查看一些具体示例。
仿真降低药物研发成本
2017 年，FDA 第 23 届专员 Scott Gottlieb 在监管事务专业协会上发表了演讲。他在演讲中详细介绍了药物研发中的一个主要问题：成本。
“药物研发的成本以及新药的成本都在急剧增长。我们现在需要做一些事情，以使整个过程的成本更低，效率更高。”
– Scott Gottlieb，2017年监管事务专业协会演讲
Scott Gottlieb 向国家新闻俱乐部发表演讲。通过Flickr Creative Commons在CC BY-SA 4.0下获得许可。
Gottlieb 在讲话中说，评估临床信息首先要使用更先进的计算工具，包括广泛的模拟和仿真。借助这些工具，研发人员可以获取原本难以通过体内试验获得或无法获得的数据。
模拟和仿真对药物研发人员特别有用，因为这使他们能够：
- 确定剂量安全性和功效
- 为一般人群选择最佳剂量
- 估计适当的样本量进行试验
- 评估终点的可靠性
因此，模拟和仿真变得越来越普遍，尤其是在某些分支中。
“几乎所有新分子实体的新药应用都有模拟和仿真的成分。”
– Scott Gottlieb，2017 年监管事务专业协会演讲
降低成本和提高新药研发效率不仅可以帮助制药机构保持行业领先地位，还可以更快地将挽救生命的新药推向市场。
课堂上的药物模拟
为了在药物研发中使用模拟和仿真，生物工程师必须首先学习如何实际使用这些方法。这正是 Roberto A. Abbiati（助理教授）在俄克拉荷马大学所教授的内容，他的课程是该大学药学院与定量系统药理研究所之间合作的结果。该创新课程为药物科学专业的学生提供模拟方法的概述，并教他们如何在他们的药物研究工作中使用模拟和仿真。
俄克拉荷马大学的药学专业学生将学习如何建立房室模型和多尺度模型。多尺度模型比房室模型更复杂，但它可以处理从整个人体到单个分子的大小尺度。
为了强调在药物研究中进行模拟和仿真的重要性和实用性，Abbiati还对药物如何与硬性肿瘤相互作用进行了探索研究。
“我正在使用 COMSOL®了解肿瘤的物理结构为什么以及如何成为阻碍药物输送的障碍。
– Roberto A. Abbiati，2019 年 COMSOL News
药物经常在血液中传播，在到达目的地之前需要克服各种物理障碍。通过他的努力，Abbiati和他的团队能够确定药物能够到达肿瘤的深度，以及在任何给定时间药物在肿瘤内的位置。
使用 COMSOL Multiphysics®进行药物模拟
COMSOL Multiphysics®软件及其附加模块包含用于模拟各种制药过程和设备的功能。下面，我们来讨论其中的一些例子……
生物基质释放药物
用于药物释放的生物材料基质可用于体内组织再生。工程师可以使用 COMSOL Multiphysics 模拟药物从生物材料基质到受损细胞组织的释放过程，这些过程是通过神经导管传递的。本文中演示的模型研究了控制药物释放速率的各种设计参数，例如：
- 药物与生物材料的亲和
- 生物材料降解
- 生物材料基质的几何形状和组成的影响
动画演示了整个模拟区域中药物的浓度。
血浆中 DNA 的降解
基因疗法是利用人体自身产生蛋白质的机制在体内产生蛋白质。然而，基因治疗中的主要挑战涉及将质粒 DNA 转运至靶位点并在不同形式之间转换。使用化学模型，制药工程师可以找到DNA 降解过程中涉及的反应速率常数。
通过读取实验数据并将其与仿真结果进行比较而得出的绘图。
肿瘤的电化学治疗
在肿瘤的电化学治疗中，通过使用插入到肿瘤中的金属电极，用直流电对患病的组织进行治疗。当组织被电解时，在阳极发生两个相互竞争的反应：
- 氧气释放
- 氯气产生
研发这种癌症治疗方法的一个挑战是预测肿瘤破坏所需的剂量。此处显示的电化学模型可用于制定剂量规划方法。
表面绘图显示治疗 3600s 后肿瘤周围的 pH 值。在 pH=2 左右开始出现坏死。
药物输送系统
此处显示的模型描述了提供可变浓度的水溶性药物的药物输送系统的操作。在仿真中，固定体积和速度的液滴沿毛细管向下流动。毛细管壁的一部分由渗透膜组成，该渗透膜将毛细管内部与药物的浓溶液分开，该浓溶液在通过时会溶解到水滴中。通过改变液滴速度，可以调节液滴中药物的最终浓度。
三维仿真结果显示了水溶性药物的浓度。
这些只是在药物研发领域中如何使用模拟和仿真的4个例子，实际应用中还有更多例子。通过使用仿真来提高药物研发的效率和成本效益，制药工程师可以继续研发创新的治疗方法。
更多资源
- 阅读Scott Gottlieb 撰写的 FDA全文
- 了解有关 Abbiati 教授如何使用模拟方法教药理学学生的更多信息
- 查看与制药行业相关的其他教程模型
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