یک مدل جدید میتواند پیشبینی کند که کدام نوع انسولین پاسخگو به گلوکوز در انسان و حیوانات عمل خواهد کرد. یک استراتژی جدید و امیدوار کننده برای درمان دیابت دادن انسولین به بیماران است که در جریان خون آنها گردش میکند و تا زمانی که با افزایش سطح قند خون فعال نشود، در حالت خواب باقی میماند. با این حال، هیچ نوع انسولین حساس به گلوکز (GRIS)برای استفاده انسان تایید نشده است، و تنها موردی که وارد مرحله کارآزمایی بالینی شد پس از اینکه نتوانست اثربخشی را در انسانها نشان دهد، متوقف شد.
در حال حاضر محققان MIT یک مدل ریاضی ایجاد کردهاند که میتواند رفتار انواع مختلف GRI ها را هم در انسانها و هم در جوندگان پیشبینی کند. آنها بر این باورند که این مدل میتواند برای طراحی GRI هایی که به احتمال زیاد در انسان موثر هستند، و برای جلوگیری از طرحهای دارویی که احتمال کمتری برای موفقیت در آزمایشهای بالینی پرهزینه دارند، مورد استفاده قرار گیرد. مایکل ترانو، از شرکت کربن پی میگوید: ” این طرح در انسانها با شکست مواجه خواهد شد اما در حیوانات با موفقیت همراه خواهد بود و مدلهای ما میتوانند این طرح را پیشبینی کنند.” ” از نظر تئوری، برای سیستم حیوانی که محققان دیابت به طور معمول از آن استفاده میکنند، ما میتوانیم فورا پیشبینی کنیم که نتایج چگونه به انسانها تبدیل خواهند شد.”
Strano نویسنده ارشد این مطالعه است که امروز در مجله دیابت منتشر میشود. دانشجوی تحصیلات تکمیلی MIT، جینگ فان یانگ، نویسنده اصلی این مقاله است. سایر نویسندگان این موسسه عبارتند از دکتر شون گونگ و دانشجوی تحصیلات تکمیلی نوید باغ. مایکل ویس، استاد بیوشیمی و زیستشناسی مولکولی در دانشکده پزشکی دانشگاه ایندیانا، و کلی کار، نلسون فیلیپس، فرامرز اسماعیل بیگی از دانشگاه کیس وسترن رزرو نویسندگان این مقاله هستند.
طراحی بهینه
بیماران مبتلا به دیابت معمولا باید قند خون خود را در طول روز اندازه بگیرند و وقتی قند خون آنها بیش از حد بالا میرود، خود را با انسولین تزریق کنند. به عنوان یک جایگزین بالقوه، بسیاری از محققان دیابت در حال حاضر تلاش میکنند تا انسولین حساس به گلوکز را تولید کنند، که میتواند تنها یکبار در روز تزریق شود و هر زمان که سطح قند خون بالا میرود، وارد عمل شود.
دانشمندان از استراتژیهای مختلفی برای طراحی چنین داروهایی استفاده کردهاند. برای مثال، انسولین ممکن است توسط یک ذره پلیمری حمل شود که در زمان حضور گلوکز، دارو را آزاد میکند. یا انسولین میتواند با مولکولهایی که میتوانند به گلوکز متصل شوند و سبب فعال شدن انسولین شوند، اصلاح شود. در این مقاله، تیم MIT بر یک GRI متمرکز شدهاست که با مولکولهایی به نام PBA پوشیده شدهاست، که میتواند به گلوکز متصل شده و انسولین را فعال کند.
مطالعه جدید بر روی یک مدل ریاضی ساخته شدهاست که آزمایشگاه Strano اولین بار در سال ۲۰۱۷ توسعه یافت. این مدل در اصل مجموعهای از معادلاتی است که چگونگی گلوکز و انسولین در قسمتهای مختلف بدن انسان از جمله عروق خونی، عضله و بافت چربی عمل میکند. این مدل میتواند پیشبینی کند که یک GRI دادهشده چگونه بر قند خون در بخشهای مختلف بدن، براساس ویژگیهای شیمیایی مثل این که چقدر محکم به گلوکز متصل میشود و چقدر سریع انسولین فعال میشود، تاثیر میگذارد.
سانتروو میگوید: ” برای هر نوع انسولین حساس به گلوکز، میتوانیم آن را به معادلات ریاضی تبدیل کنیم، و سپس میتوانیم آن را در مدل خود وارد کرده و پیشبینیهای بسیار روشنی در مورد نحوه عملکرد آن در انسانها ارائه دهیم.”
با اینکه این مدل راهنمایی مفیدی در توسعه GRI ها ارایه داد، محققان متوجه شدند که اگر این مدل بتواند بر روی دادههای حاصل از آزمایشها بر روی حیوانات نیز کار کند، بسیار مفیدتر خواهد بود. آنها تصمیم گرفتند این مدل را سازگار کنند تا بتوانند پیشبینی کنند که چگونه جوندگان، که واکنشهای اندوکرینی و متابولیک آنها بسیار متفاوت از انسانها است، به GRIS پاسخ میدهند.
” کارهای تجربی زیادی در جوندگان انجام شدهاست، اما مشخص است که با استفاده از جوندگان، نقصهای زیادی وجود دارد. Strano اضافه میکند: ” این مقاله در این زمینه پیشگام است که ما مدل سیستم غدد درونریز انسان را گرفتهایم و آن را به یک مدل حیوانی پیوند دادهایم.” برای رسیدن به این هدف، محققان مهمترین تفاوتهای بین انسانها و جوندگان را در این که چگونه گلوکز و انسولین را پردازش میکنند، مشخص کردند، که به آنها اجازه داد تا مدل را برای تفسیر دادهها از جوندگان، انطباق دهند.
با استفاده از این دو نوع مدل، محققان قادر به پیشبینی ویژگیهای GRI بودند که برای کار خوب در انسانها و جوندگان نیاز است. آنها دریافتند که حدود ۱۳ درصد از GRI های ممکن هم در جوندگان و هم در انسانها خوب کار میکنند، در حالی که ۱۴ درصد پیشبینی شدهبود که در انسانها کار کنند، اما نه در جوندگان، و ۱۲ درصد در جوندگان کار میکردند، اما نه در انسانها. گونگ میگوید: ” ما از مدل خود برای آزمایش هر نقطه در طیف وسیعی از نامزدهای بالقوه استفاده کردیم.” ” یک طراحی بهینه وجود دارد، و ما متوجه شدیم که در کجا این طراحی بهینه بین انسانها و جوندگان همپوشانی دارد.”
تحلیل شکست
این مدل همچنین میتواند برای پیشبینی رفتار دیگر انواع GRI ها اتخاذ شود. برای نشان دادن این موضوع، محققان معادلاتی ایجاد کردند که ویژگیهای شیمیایی یک انسولین حساس به گلوکز را نشان میداد که مرک از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۱۶ آزمایش کرد، که در نهایت در بیماران موفق نشد. آنها اکنون در نظر دارند تا آزمایش کنند که آیا مدل آنها شکست مواد مخدر را پیشبینی کردهاست یا خیر.
” این محاکمه براساس دادههای بسیار امیدوار کنندهای از حیوانات بود، اما وقتی به انسانها رسید، شکست خورد. سوال این است که آیا می توان از این شکست جلوگیری کرد؟ ” ” ما قبلا آن را به یک نمایش ریاضی تبدیل کردهایم و اکنون ابزار ما میتواند سعی کند بفهمد چرا شکست خورد.”
آزمایشگاه Strano نیز با Weiss برای طراحی و آزمایش GRI های جدید براساس نتایج مدل همکاری میکند. انجام این نوع مدلسازی در طول مرحله توسعه دارو میتواند به کاهش تعداد آزمایشها حیوانی مورد نیاز برای آزمایش بسیاری از انواع احتمالی GRI پیشنهادی کمک کند.
این نوع مدل، که محققان آن را برای هر کسی که میخواهد از آن استفاده کند، در دسترس قرار میدهند، میتواند برای داروهای دیگری نیز به کار رود که برای پاسخ به شرایط درون بدن بیمار طراحی شدهاند.
Strano میگوید: ” شما میتوانید انواع جدیدی از داروها را تصور کنید، یک روز، که وارد بدن شده و قدرت آنها را در صورت نیاز براساس پاسخ فوری بیمار تنظیم کنید.” ” اگر بانک جهانی کار کند، این میتواند الگویی برای صنعت داروسازی باشد که در آن یک دارو تحویل داده میشود و قدرت آن در واکنش به یک نقطه پایانی درمانی مانند سطح کلسترول یا فیبرینوژن به طور مداوم تعدیل میشود.”
منبع:
http://news.mit.edu/2020/math-model-glucose-insulin-diabetes-0609
