Forschungstechnologien

Virtuelle Medikamententests

Wirkungen von Arzneimitteln am Computer vorhersagen

Der Einsatz computergestützter Vorhersage-Modelle spielt bei Bayer auf allen Ebenen der Arzneimittelforschung eine wichtige Rolle. Ein Beispiel sind virtuelle Medikamententests – Computersoftware, die das Verhalten eines Wirkstoffs im lebenden Organismus simuliert.

Wissenschaftler von Bayer Technology Services (BTS) und Bayer haben gemeinsam zwei innovative Vorhersage-Modelle entwickelt: Die Simulationssoftware PK-Sim™ prognostiziert pharmakokinetische Prozesse, wie zum Beispiel die Aufnahme, den Transport und die Verstoffwechselung des Wirkstoffs im Körper. Der Koagulationssimulator hingegen simuliert die Wirkung von Arzneistoffen auf den Blutgerinnungsprozess.

PK-Sim™: Der Weg des Wirkstoffs durch den Körper

Die Simulationssoftware PK-Sim™ ist eine sogenannte Ganzkörper-ADME-Simulation, die alle Prozesse berücksichtigt, die das Schicksal eines Wirkstoffs im Körper bestimmen – von der Aufnahme (Absorption) über die Verteilung (Distribution) und Verstoffwechselung (Metabolismus) bis zur Ausscheidung (Exkretion). Mithilfe der Software lässt sich vorhersagen, welchen Weg die Substanz nach oraler oder parenteraler Gabe im Körper nimmt, in welchem Organ sie abgebaut wird, wo sie in welcher Konzentration wirkt.

PK-Sim™ berechnet die Prognosen auf Basis einer Datenbank. Spezifische Kennzahlen von mehreren 10.000 Substanzen wurden hier eingespeist, zum Beispiel zur Löslichkeit, zur Proteinbindung, zum Molekulargewicht und zur Ausscheidung; dazu kommen Daten zur Blutflussrate, zu Volumen, Fett- und Proteinanteil sowie der Gefäßoberfläche von 15 Organen (unter anderem Leber, Herz, Niere, Gehirn, Knochen). Zusätzlich hat das Programm die Unterscheidungsmerkmale von vier Spezies (Maus, Ratte, Hund und Mensch) integriert, sodass die Wirkung einer Substanz konkret für den Organismus einer dieser vier Spezies vorhergesagt werden kann.

Koagulationssimulator: Die Blutgerinnung virtuell beeinflussen

Der Koagulationssimulator ist ein pharmakodynamisches Computermodell, das pharmakologische Vorgänge im Körper – in diesem Fall den Einfluss von Pharmawirkstoffen auf die Blutgerinnung – virtuell darstellt.

In der Simulation läuft dabei der komplexe Koagulationsprozess ab, mit dem der Körper bei Verletzungen die Blutung stillt: Gerinnungsfaktoren fluten an und werden kaskadenartig aktiviert, der Wundverschluss vollzieht sich im Zusammenspiel von Blutplättchen (Thrombozyten), Gerinnungsfaktoren und anderen Proteinen.

Anhand dieses virtuellen Ablaufs kann nun die Wirkung von Arzneistoffen geprüft werden – zum Beispiel von gerinnungshemmenden Substanzen, wie Rivaroxaban und ähnliche Wirkstoffe aus der Bayer-Forschung. Wissenschaftler können dabei diverse Parameter, wie zum Beispiel die Wirkstoffdosis, variieren und in der Computersimulation vorhersagen, wie sich diese Veränderung auf den Wundverschluss oder das Blutungsrisiko auswirken würde.

Software bringt Vorteile auf mehreren Ebenen

Computerbasierte Technologien wie diese erleichtern nicht nur den Forschern die Arbeit. Sie helfen auch, die Zahl der benötigten Tierversuche weiter zu reduzieren und die Arzneimittelentwicklung – zum Beispiel in der Auswahl von Wirkstoffkandidaten oder der Planung von klinischen Studien – effizienter, zielgerichteter und noch sicherer zu gestalten.