以下文章經The Conversation許可轉載，The Conversation是一個涵蓋最新研究的線上出版物。
在將新藥用於患者之前，安全性至關重要——這就是為什麼每年在全球範圍內對數百萬只動物進行藥物測試，以檢測可能的風險和副作用。但研究表明，心臟計算機模擬有潛力改善患者的藥物開發，並減少對動物實驗的需求。
迄今為止，動物實驗一直是檢查新藥最準確和可靠的策略，但它昂貴、耗時，並且對某些人來說極具爭議性。
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由於動物和人類之間的差異，也可能遺漏一些副作用。因此，藥物試驗尤其成問題，顯然需要新的測試方法來促進開發更好和更安全的藥物。
人類和其他動物
每年在藥物開發中使用多種動物物種——包括大鼠、小鼠、兔子、豚鼠、狗和豬——來預測藥物可能對人類心臟產生的副作用。
但是，雖然潛在的生物學原理相似，但當患者服用藥物時，動物細胞和人類細胞之間的小差異會被放大。研究表明，這意味著預測患者風險的準確率僅為（75% 到 85%）左右，並且由於心血管安全問題，還會導致藥物從市場撤回。
然而，現在可以在“虛擬人”中測試一種新的心臟藥物。牛津大學計算機科學系的我們最近的研究表明，代表人類心臟細胞的計算模型在預測藥物不良反應（例如危險的心律失常——心臟跳動變得不規則並可能停止）方面，比動物模型顯示出更高的準確性（89-96%）。
這表明，人類計算模型將帶來額外的優勢，包括減少藥物測試早期階段的動物實驗使用；提高藥物安全性，從而降低臨床試驗期間患者的風險；並加快為急需醫療保健的患者開發藥物的速度。
心臟計算機模型
英國生物學家Denis Noble於 1960 年首次在牛津開始嘗試心臟計算機模型。從那時起，該技術不斷發展，並已準備好整合到工業和臨床環境中。
由於人類實驗資料，人類計算機模型現在可以在不同的尺度上使用，從單個細胞到整個心臟，它們可以用於探索人類心臟在健康或疾病狀態下以及在藥物作用下的行為。
除了“一刀切”的模型方法外，還有新的基於人群的方法。每個人都是不同的，有些藥物可能只對特定人群產生有害的副作用，例如具有特定基因突變或疾病的人。
計算心血管科學團隊的研究表明，在預測藥物引起的人類心臟副作用方面，人類心臟細胞計算機模型比動物實驗更準確。由於這項研究具有取代實驗室動物實驗的潛力，因此榮獲國際獎項。
我們將這項技術融入到名為Virtual Assay的軟體中，非專業人士也可以輕鬆地在建模和模擬中使用它。
該軟體為 Microsoft Windows 提供了一個簡單的使用者介面，可以在其中構建基於人類資料的具有特定屬性的健康心肌細胞對照組。然後，它可以用於執行計算機模擬的（稱為in silico）藥物試驗，然後再分析結果。整個過程非常快：使用現代筆記型電腦在 100 個人類心肌細胞模型的人群中測試一種藥物只需不到五分鐘。
多家制藥公司已經在使用和評估 Virtual Assay，該軟體可免費獲得學術許可，並且可以供臨床醫生和製藥公司使用。
這項研究是更廣泛地將計算機模型整合到藥物安全測試中的一部分，其中包括美國食品和藥物管理局及其他組織推動的體外促心律失常綜合測定倡議。
突破計算機科學的界限
雖然心臟細胞模擬可以在幾分鐘內執行，但整個心臟的 3D 計算機模型仍然需要大量的計算能力。例如，在一個擁有近 1,000 個處理器的超級計算機中，一次心跳可能需要大約三個小時。
我們現在正在研究心臟的 3D 模擬，以更大規模地探索藥物的心臟安全性和有效性。這包括探索疾病狀況，例如急性缺血——心臟周圍動脈之一的血流受阻。這項研究也是歐洲 CompBioMed 專案的一部分，該專案旨在為整個人體構建計算機模型：一個虛擬人。
透過將學術界、製藥行業和監管機構聚集在一起，我們希望加速以人為本的體外方法在評估心臟藥物安全性和有效性方面的應用。
計算機模擬是動物實驗的一種更快、更便宜且有效的替代方案——它們將很快在藥物開發的早期階段發揮重要作用。
本文最初發表於The Conversation。請閱讀原文。