یک مدل ریاضی که می تواند به درمان بهتر دیابت منجر شود

9 مارس 2020 - یکی از استراتژی های نویدبخش برای درمان دیابت، ابداع یک نوع انسولین هوشمند است که در جریان خون بیمار گردش کند، اما تنها زمانی که با افزایش سطح قند خون روبرو شود، فعال گردد. با این حال، تاکنون هیچ نوع انسولین پاسخگو به گلوکزی یا GRI)glucose-responsive insulins ) برای استفاده ی انسان تأیید نشده است، و کارآزمایی بالینی تنها نامزد این کار، پس از عدم موفقیت در اثربخشی در انسان، متوقف شد.

محققانMIT ، اکنون یک مدل ریاضی تهیه کرده اند که می تواند رفتار انواع مختلف GRI را در انسان و جوندگان پیش بینی کند. آنها معتقدند كه این مدل می تواند برای طراحیGRI هایی كه احتمالاً در انسان مؤثر هستند، مورد استفاده قرار گیرد و بدین ترتیب از طراحی داروهایی با موفقیت کمتر در آزمایشات بالینی پرهزینه، جلوگیری شود.

پرفسور مایکل استرانو، استاد مهندسی شیمی در MIT می گوید: انواعی از انسولین های پاسخگو به گلوکز وجود دارند که در انسان ناموفق بوده اما موفقیت آنها در حیوانات اثبات شده است و مدل های ما می توانند این را پیش بینی کنند. از نظر تئوری مدل ریاضی ما می تواند، بر اساس نتایج سیستم حیوانی که محققان دیابت به طور معمول از آن استفاده می کنند، بلافاصله نتایج انسانی را پیش بینی کند.

محققان دانشگاه MIT با دانشمندان دانشگاه ایندیانا از جمله پرفسور Michael Weiss استاد بیولوژی مولکولی و محققان دانشگاهWestern Reserve  از جمله دکتر فرامرز اسماعیل بیگی در این تحقیق همکاری کردند. نتایج این مطالعه در مجله Diabetes منتشر گردید.

طراحی بهینه

بیماران مبتلا به دیابت معمولاً باید قند خون خود را در طول روز اندازه گیری کنند و وقتی قند خونشان افزایش می یابد دوز مورد نیاز انسولین را تزریق یا از طریق پمپ دریافت کنند. بعنوان یک جایگزین بالقوه، بسیاری از محققان دیابت، اکنون در تلاش هستند تا نوعی انسولین پاسخگو به گلوکز تولید کنند که تنها یک بار در روز تزریق شود و هر زمان که سطح قند خون بالا رود، وارد عمل شود.

دانشمندان برای طراحی چنین داروهایی از استراتژیهای مختلفی استفاده کرده اند. به عنوان مثال، انسولین ممکن است درون یک ذره ی پلیمری حمل شود که هنگام حضور گلوکز حل شده و انسولین را آزاد کند. یا انسولین را می توان با کمک مولکولهایی تغییر داد که می توانند به گلوکز متصل شده و باعث فعال شدن انسولین شوند. در این مقاله ، تیمMIT روی نوعی انسولین هوشمند تمرکز کردند که با مولکول هایی به نام PBA پوشانده می شوند و می توانند به گلوکز متصل شده و انسولین را فعال کنند.

این مطالعه ی جدید بر پایه ی یک مدل ریاضی است که آزمایشگاه پرفسور استرانو برای اولین بار در سال 2017 توسعه داده است. این مدل در واقع مجموعه ای از معادلات است که نحوه ی رفتار گلوکز و انسولین را در مکان های مختلف بدن انسان مانند رگ های خونی، ماهیچه ها و بافت چربی، توصیف می کند. این مدل می تواند پیش بینی کند که چگونه یکGRI  معین- بر اساس ویژگی های شیمیایی خود مانند قدرت اتصال به گلوکز و سرعت فعال شدن انسولین-، بر قند خون در نقاط مختلف بدن تأثیر می گذارد.

پرفسور استرانو می گوید: ما می توانیم هر انسولین پاسخگو به گلوکز، را به معادلات ریاضی تبدیل کنیم، و سپس می توانیم آن را در مدل خود وارد کرده و پیش بینی های بسیار روشنی در مورد عملکرد آن در انسان ارائه دهیم.

اگرچه این مدل راهنمای مفیدی برای تولید GRI می باشد، اما محققان دریافتند که اگر این مدل بتواند نتایج آزمایشات حیوانی را نیز بطور صحیح پیش بینی کند، بسیار مفیدتر خواهد بود. آنها تصمیم گرفتند که این مدل را طوری تغییر دهند که بتواند پیش بینی کند که چگونه جوندگان، که پاسخهای غدد درون ریز و متابولیکی آنها با انسانها بسیار متفاوت است، به GRIs پاسخ می دهند.

جینگ فان یانگ دانشجوی کارشناسی ارشد در MIT، و نویسنده ی ارشد این مقاله می گوید: کارهای آزمایشگاهی زیادی بر روی جوندگان انجام شده است، اما نواقص زیادی در آزمایشات جوندگان وجود دارد تا حدی که برخی از نتایج بطورکلی در آزمایشات بالینی رد شده اند.

پرفسورStrano   افزود: این مقاله پیشگام است زیرا ما الگوی سیستم غدد درون ریز انسان را گرفته ایم و آن را به یک مدل حیوانی پیوند داده ایم.

محققان برای رسیدن به این هدف، مهمترین تفاوت بین انسان و جوندگان را در نحوه ی پردازش گلوکز و انسولین در نظر گرفتند، که به آنها اجازه داد تا از این مدل برای تفسیر داده های جوندگان، استفاده کنند.

با استفاده از این دو نوع مدل، محققان ویژگی های ضروری GRI را که بتواند در انسان و جوندگان به خوبی عمل کند برای GRI اصلاح شده با PBA پیش بینی کردند. آنها دریافتند که حدود 13 درصد ازGRI های احتمالی در جوندگان و انسان به خوبی کار می کنند، در حالی که پیش بینی می شود 14 درصد تنها در انسان ها کار کنند نه در جوندگان، و 12 درصد تنها در جوندگان کار می کنند اما برای انسان موثر نمی باشند.

دکتر Gong دانشجوی فوق دکترا در MIT می گوید: ما از مدل خود برای آزمایش طیفی از نامزدهای احتمالی استفاده کردیم، در نهایت یک طراحی بهینه را یافتیم که بین انسان و جوندگان همپوشانی داشت.

تجزیه و تحلیل عدم موفقیت

این مدل همچنین می تواند برای پیش بینی رفتار سایر انواع GRI سازگار شود. برای اثبات این امر، محققان معادلاتی را نوشتند كه بیانگر ویژگیهای شیمیایی انسولین پاسخگو به گلوكز است كه شرکت مرک از سال 2014 تا 2016 آزمایش كرده است و در نهایت هیچ یک از آنها در بیماران موفق نبودند. آنها اکنون قصد دارند آزمایش کنند که آیا مدل آنها احتمال شکست دارو را نیز پیش بینی می کند یا خیر.

استرانو می گوید: آن مطالعات با داده های امیدوارکننده ی زیادی درباره حیوانات تایید شده بودند، اما وقتی برای انسان آزمایش شدند، ناکام ماندند. سوال این است که آیا می توان از این عدم موفقیت جلوگیری کرد، ما قبلاً آن را به یک معادله ی ریاضی تبدیل کرده ایم و اکنون ابزار ما می تواند بفهمد که چرا این داروها در انسان کار نکرده اند.

آزمایشگاه استرانو همچنین بر اساس نتایج حاصل از این مدل، با دکتر Weiss همکاری می کند تا GRIهای جدید را طراحی و آزمایش کنند. انجام این نوع مدل سازی در مرحله ی تولید دارو می تواند به کاهش تعداد آزمایشات حیوانی مورد نیاز برای تست بسیاری از انواع احتمالی یک GRI پیشنهادی، کمک کند.

این نوع مدل، که محققان در دسترس هر کسی که مایل به استفاده از آن است، قرار می دهند، می تواند برای سایر داروهای طراحی شده برای سایر بیماریهای انسانی استفاده شود.

پرفسور استرانو می گوید: شما می توانید یک روز انواع جدیدی از داروها را تصور کنید که به بدن شما وارد شده و بر اساس پاسخ شما در زمان واقعی، قدرت خود را تعدیل کنند. اگر ما GRI را به کار گیریم، این می تواند الگویی برای صنعت داروسازی باشد، جایی که دارویی به بیمار داده می شود و قدرت آن به طور مداوم در پاسخ به برخی از نقاط تعیین شده ی درمانی مانند سطح کلسترول یا فیبرینوژن تعدیل شود.

منبع:

https://medicalxpress.com/news/2020-03-mathematical-treatment-diabetes.html