Inteligenţa artificială (AI) şi terapiile ARN deschid calea spre tratamente personalizate pentru bolile cardiovasculare. Bolile de inimă ar putea fi tratate în viitor prin medicamente proiectate cu ajutorul AI şi al biologiei moleculare, care acţionează direct asupra mecanismelor biologice specifice fiecărui pacient.
Problemele care afectează inima şi vasele de sânge, cunoscute sub numele de boli cardiovasculare, sunt foarte frecvente - infarctul, hipertensiunea arterială şi AVC (accidentul vascular cerebral), sunt doar câteva exemple binecunoscute.
Deşi există medicamente şi alte tratamente pentru multe dintre aceste afecţiuni, bolile cardiovasculare rămân principala cauză de deces la nivel mondial. Motivul este complexitatea lor: implică mai multe sisteme ale organismului şi diferite tipuri de celule, care interacţionează între ele într-un mod complicat.
Abordarea generalistă a terapiei, bazată pe medicamente standard, cum sunt statinele, de exemplu, nu funcţionează la toţi pacienţii. În plus, aceste boli se manifestă uşor diferit la fiecare pacient, ceea ce face ca tratamentele general valabile, cum ar fi o pastilă pentru scăderea colesterolului, să nu funcţioneze întotdeauna pentru toţi.
Medicina de precizie este o abordare personalizată care ar putea îmbunătăţi tratamentul bolilor cardiovasculare prin colectarea unei cantităţi mari de date detaliate despre genele, proteinele şi celulele fiecărui pacient. Ulterior, calculatoarele şi inteligenţa artificială sunt folosite pentru a analiza aceste informaţii, a identifica tipare şi a prezice cele mai potrivite tratamente.
Pe scurt, medicina cardiovasculară de precizie ar putea transforma viitorul tratamentului bolilor de inimă, contribuind la îmbunătăţirea şi salvarea a mii de vieţi.
Într-o nouă analiză citată de News, autorii arată că aceste instrumente pot transforma modul în care sunt dezvoltate tratamentele cardiovasculare, dar succesul lor depinde de o strategie globală comună şi de politici de sănătate care să asigure acces echitabil pentru toţi pacienţii.
Potrivit autorilor, bolile cardiovasculare ar putea provoca până la 26 de milioane de decese anual până în 2030, faţă de 19 milioane în 2020.
Studiul recent propune o schimbare radicală în modul în care sunt descoperite şi testate medicamentele pentru inimă, folosind AI, analiza omică (omics: studiul global al genelor, proteinelor şi metaboliţilor) şi biologia sistemică (ramură a ştiinţei care studiază modul în care genele, proteinele şi alte componente biologice interacţionează între ele în reţele complexe, influenţând apariţia şi evoluţia bolilor), pentru a identifica gene şi proteine direct implicate în boală.
Această abordare ar putea permite dezvoltarea unor tratamente cu adevărat personalizate pentru fiecare pacient.
„Acest nou model de cercetare ar putea duce la descoperirea unor medicamente eficiente acolo unde cele convenţionale au eşuat, dar este nevoie de o conducere globală puternică pentru a transforma aceste progrese în beneficii reale pentru pacienţi”, a declarat, marţi, profesorul Masanori Aikawa, de la Brigham and Women’s Hospital şi Facultatea de Medicină a Universităţii Harvard, citat într-un articol publicat în revista Frontiers in Science.
O direcţie promiţătoare este cea a terapiilor bazate pe ARN (acid ribonucleic). Spre deosebire de medicamentele tradiţionale, care acţionează asupra unui număr limitat de proteine, terapiile ARN pot fi concepute pentru a influenţa aproape orice genă implicată în boală. În plus, ele pot fi dezvoltate mai rapid, iar studiile clinice timpurii arată deja un potenţial superior, de exemplu, în reducerea nivelului de colesterol faţă de tratamentele standard.
Potrivit profesorului Aikawa, aceste terapii „deschid calea spre ţintirea unor mecanisme considerate până acum imposibil de tratat”. Cercetătorii subliniază că bolile cardiovasculare variază semnificativ între pacienţi, atât în manifestări, cât şi în răspunsul la tratament, ceea ce reflectă diversitatea genetică, de mediu şi de stil de viaţă.
Pentru a aborda această complexitate, noua strategie se bazează pe: tehnologiile omice, care oferă o imagine detaliată asupra compoziţiei celulare; biologia sistemică, ce analizează interacţiunile dintre gene şi proteine; şi AI, care poate descoperi noi ţinte terapeutice şi proiecta medicamente adaptate acestora.
Autorii prezic că investiţiile adecvate în această direcţie vor genera o nouă generaţie de terapii, în special medicamente bazate pe ARN şi concepute de tip AI, capabile să intervină în procese patologice considerate anterior „netratabile”.
Această revoluţie ar putea reduce semnificativ timpul, costurile şi rata de eşec în dezvoltarea medicamentelor pentru inimă.
„Nu există o singură formă de boală cardiovasculară, iar pentru a trata pacienţii eficient trebuie să concepem terapii personalizate, care să reflecte spectrul larg al acestor afecţiuni. Putem transforma imposibilul în posibil prin identificarea ţintelor moleculare specifice fiecărui pacient şi prin proiectarea de molecule dedicate acestora”, a explicat profesorul Joseph Loscalzo, coautor al studiului.
Totuşi, transformarea acestor descoperiri în tratamente reale necesită mai mult decât progrese de laborator.
Autorii solicită o colaborare strânsă între cercetători, industrie şi sistemele de sănătate, precum şi politici publice coerente, pentru ca medicina de precizie să fie accesibilă la scară globală.
„Pentru a salva vieţi, avem nevoie urgent de o schimbare de paradigmă în abordarea bolilor cardiovasculare, una care să încurajeze investiţiile curajoase, ştiinţa deschisă şi parteneriatele internaţionale”, a afirmat dr. Sarvesh Chelvanambi.
Studiul a fost publicat în revista Frontiers in Science şi realizat de cercetători de la Brigham and Women’s Hospital şi Harvard Medical School.
Autorii consideră că, printr-o conducere globală puternică, medicina de precizie ar putea, în cele din urmă, să schimbe cursul celei mai răspândite cauze de mortalitate la nivel mondial.
Criza globală a bolilor de inimă
Inima este un organ extraordinar. Dinainte de naştere şi până la sfârşitul vieţii, ea nu încetează niciun moment să funcţioneze. Bate de aproximativ 100.000 de ori pe zi, pompând sângele printr-o reţea vastă de vase care ajunge în fiecare colţ al corpului. Acest sistem, format din inimă, sânge şi vasele de sânge, se numeşte sistem cardiovascular şi are rolul esenţial de a transporta oxigenul şi substanţele nutritive către celule, de a elimina deşeurile şi de a menţine echilibrul întregului organism. Însă atunci când ceva nu funcţionează corect în acest sistem, consecinţele pot fi grave sau chiar fatale.
Bolile cardiovasculare reprezintă un termen general care acoperă numeroase afecţiuni ce afectează inima şi vasele de sânge. Există mult prea multe tipuri pentru a fi descrise toate aici, dar cele mai cunoscute sunt infarctul miocardic, AVC, hipertensiunea arterială şi tulburările de ritm cardiac.
Bolile cardiovasculare provoacă mai multe decese decât orice altă boală. Doar în anul 2020, aproximativ 19 milioane de persoane din întreaga lume au murit din cauza acestor afecţiuni, aproape dublu faţă de toate tipurile de cancer la un loc [1].
Deşi de zeci de ani cercetătorii încearcă să înţeleagă cauzele bolilor cardiovasculare, cum pot fi identificate persoanele cu risc crescut şi care sunt cele mai eficiente tratamente, numărul cazurilor continuă să crească. De ce se întâmplă acest lucru şi cum putem combate această criză în plină expansiune?
Bolile cardiovasculare sunt complexe
Un motiv major pentru care lupta împotriva bolilor cardiovasculare este atât de dificilă ţine de variabilitatea lor - nu se manifestă la fel la toţi pacienţii. Chiar şi în cadrul aceleiaşi boli, cum ar fi infarctul, cauzele, simptomele şi reacţiile la tratament pot fi foarte diferite. De exemplu, un pacient cu infarct poate fi fumător şi cu colesterol ridicat, în timp ce altul poate fi nefumător şi cu niveluri normale de colesterol. Unii pacienţi simt dureri puternice în piept, alţii doar un disconfort uşor sau deloc, fără semne de avertizare. Până şi la nivel celular, aceeaşi boală poate urma căi biologice diferite de la un pacient la altul.
La fel, medicamentele cardiovasculare uzuale sunt eficiente pentru unii pacienţi, dar nu pentru toţi. Statinele, medicamente care reduc nivelul colesterolului şi scad riscul de infarct şi AVC, limitând acumularea de grăsimi dăunătoare în vasele de sânge, sunt larg utilizate şi eficiente pentru scăderea colesterolului „rău”. Cu toate acestea, mulţi pacienţi continuă să dezvolte boli cardiovasculare din alte cauze, precum inflamaţia cronică de durată [2].
Variabilitatea bolilor cardiovasculare este determinată de numeroşi factori de risc care interacţionează între ei: particularităţile genetice ale fiecărui individ, mediul (precum poluarea aerului, climatul sau accesul la servicii medicale) şi stilul de viaţă (dieta, activitatea fizică şi nivelul de stres). Această complexitate face bolile cardiovasculare greu de prezis, de prevenit şi de tratat.
În prezent, cercetătorii se orientează către o abordare mai personalizată, care ia în considerare biologia şi condiţiile specifice fiecărui pacient. Pentru a reuşi, ei trebuie să înţeleagă toţi factorii implicaţi, de la diferenţele la nivel molecular din interiorul celulelor până la tiparele de comportament ale populaţiilor întregi.
De ani de zile, cercetătorii au studiat bolile cardiovasculare folosind în principal o metodă bazată pe ipoteze. Cercetarea bazată pe ipoteze se concentrează asupra unui singur element, de exemplu, o genă specifică (cum este ApoE, asociată cu colesterolul „rău”) sau un factor de risc, cum ar fi fumatul, colesterolul crescut ori istoricul familial de boli de inimă, şi analizează modul în care acesta contribuie la apariţia bolii. Totuşi, deoarece bolile cardiovasculare rezultă dintr-o reţea complexă de factori care interacţionează între ei, această abordare trebuie completată cu medicina sistemică, o ramură care studiază modul în care diferitele componente ale corpului (organe, celule, gene) interacţionează între ele, folosind date la scară largă pentru a înţelege boala în ansamblu [3].
În loc să se concentreze pe „o singură clădire dintr-un oraş fără curent”, medicina sistemică analizează întreaga reţea pentru a identifica unde s-a produs defecţiunea. Această perspectivă revoluţionează modul în care oamenii de ştiinţă înţeleg bolile complexe şi este deja utilizată pentru studierea unor afecţiuni precum sepsisul, boala Alzheimer sau anumite tipuri de cancer.
Aplicarea acestei metode în cercetarea bolilor cardiovasculare este, desigur, mult mai complicată decât abordarea tradiţională, în care toţi pacienţii cu aceeaşi boală primesc tratamente similare.
Aşadar, cum reuşesc oamenii de ştiinţă să studieze un sistem biologic atât de complex?
Descifrarea bolilor cardiovasculare, celulă cu celulă
Pentru a înţelege de ce bolile cardiovasculare se manifestă diferit de la un pacient la altul, cercetătorii folosesc o abordare numită „omics” - un ansamblu de instrumente care permit studierea simultană a tuturor genelor, proteinelor sau altor molecule dintr-o celulă ori din organism. În loc să analizeze câte un element izolat, tehnologiile omice le permit oamenilor de ştiinţă să observe mii de molecule în acelaşi timp, oferind o imagine de ansamblu asupra proceselor care au loc în interiorul corpului.
Există mai multe tipuri de „omics”, fiecare concentrându-se pe o componentă diferită a biologiei: genomica (studiul genelor), transcriptomica (ARN-uri implicate în expresia genelor), proteomica (proteine) şi metabolomica (micromolecule implicate în metabolism).
Prin analizarea simultană a tuturor proteinelor, de exemplu, cercetătorii pot identifica tipare şi conexiuni care ajută la înţelegerea mai profundă a bolilor cardiovasculare, inclusiv factorii care cresc riscul de apariţie a acestora sau modul în care evoluează boala în timp la un anumit pacient.
De exemplu, genomica studiază ce gene sunt prezente în ADN-ul unui organism; transcriptomica arată care gene sunt „activate” sau „dezactivate” în diferite condiţii; proteomica analizează proteinele produse de celule; iar metabolomica se ocupă de micile substanţe chimice generate atunci când celulele îşi îndeplinesc funcţiile.
Metodele tradiţionale omice analizează amestecuri de multe celule simultan, oferind o imagine „medie” a ceea ce se întâmplă într-un eşantion biologic. Prin analiza fiecărei celule individuale, omica la nivel unicelular le permite cercetătorilor să înţeleagă exact ce face fiecare celulă şi cum poate contribui la apariţia bolii.
Totuşi, există o provocare: metodele clasice omice studiază de obicei un amestec de numeroase celule în acelaşi timp, ceea ce le oferă cercetătorilor doar o imagine generală.
De exemplu, un eşantion de ţesut cardiac poate conţine celule musculare, celule imune şi celule care căptuşesc vasele de sânge, toate lucrând împreună. Dacă acel eşantion arată niveluri crescute ale unei molecule, cercetătorii nu pot şti care tip de celule o produce, sau dacă unele o secretă în exces, în timp ce altele abia o generează.
Pentru a depăşi această limitare, oamenii de ştiinţă au dezvoltat „omica unicelulară”, o metodă modernă care analizează celulele individuale, fără a le amesteca între ele.
De pildă, secvenţierea ARN-ului unicelular (single-cell RNA sequencing) arată care gene sunt active sau inactive în interiorul fiecărei celule, prin măsurarea ARN-ului acesteia.
Alte metode de omică unicelulară pot analiza proteinele sau metaboliţii din fiecare celulă, oferind o imagine detaliată similară cu cea obţinută prin studiile clasice, care analizează amestecuri de mai multe celule simultan, dar la un nivel mult mai precis.
Înţelegerea acestor detalii celulare este esenţială pentru identificarea cauzelor profunde ale bolilor cardiovasculare. De exemplu, un tip de celule imune numite macrofage se pot comporta foarte diferit de la o persoană la alta [4, 5]. Unele macrofage contribuie la repararea arterelor afectate de colesterol, în timp ce altele produc inflamaţie dăunătoare, care agravează boala.
Datorită omicii unicelulare, cercetătorii au descoperit că echilibrul dintre aceste tipuri de macrofage diferă între oameni, iar unele răspund bine la medicamente care scad colesterolul, cum sunt statinele, în timp ce altele nu. Acest lucru ar putea explica de ce statinele sunt eficiente la unii pacienţi, dar nu la toţi, şi ar putea ajuta medicii să aleagă tratamentul potrivit pentru fiecare caz.
AI în înţelegerea bolilor cardiovasculare
Instrumentele moderne, precum tehnologiile omice şi analiza unicelulară, generează cantităţi uriaşe de date, milioane de informaţii despre gene, proteine şi alte molecule dintr-un singur experiment. Analizarea manuală a acestor date ar dura ani întregi, de aceea cercetătorii folosesc inteligenţa artificială (AI).
AI este o tehnologie informatică ce poate identifica rapid tipare complexe în seturi masive de date şi poate face predicţii pe baza lor.
În cercetarea bolilor cardiovasculare, AI poate ajuta la identificarea genelor sau moleculelor asociate cu diferite forme ale bolii şi la descoperirea tiparelor care indică un risc crescut.
De exemplu, AI poate grupa pacienţii în funcţie de activitatea genelor lor, dezvăluind subtipuri noi de boală şi permiţând medicilor să anticipeze dacă afecţiunea unui pacient va rămâne stabilă sau se va agrava.
În plus, AI poate analiza factori non-biologici, cum ar fi poluarea aerului, alimentaţia, stresul sau accesul la servicii medicale, pentru a explica de ce bolile cardiovasculare evoluează diferit la persoane diferite.
Prin aceste metode, cercetătorii se apropie tot mai mult de o medicină cu adevărat personalizată, capabilă să ofere tratamente adaptate fiecărui pacient.
Medicamente cardiovasculare de nouă generaţie
Deşi numeroase persoane iau medicamente pentru a ţine sub control bolile cardiovasculare, numărul cazurilor continuă să crească.
Un motiv este variabilitatea pacienţilor, nu toate tratamentele funcţionează la toţi. Alt motiv ţine de limitele medicamentelor existente.
Cele mai utilizate terapii, cum ar fi statinele (pentru scăderea colesterolului) sau beta-blocantele (pentru controlul tensiunii arteriale), acţionează prin blocarea sau modificarea formei unei proteine implicate în boală.
Totuşi, nu toate moleculele patologice pot fi abordate astfel. Unele proteine sunt prea mari, prea flexibile sau se află adânc în interiorul celulelor, unde medicamentele convenţionale nu pot ajunge. În alte cazuri, cauza nu este o proteină, ci o altă componentă biologică.
Pentru a trata aceste aşa-numite „ţinte netratabile”, cercetătorii se orientează spre o nouă categorie de tratamente: terapiile pe bază de ARN.
Acestea nu acţionează asupra proteinelor deja formate, ci mai devreme în procesul biologic, controlând modul în care proteinele sunt produse în celule.
ARN-ul (acidul ribonucleic) este molecula care „traduce” instrucţiunile din ADN în proteine. Cercetătorii pot crea molecule de ARN special concepute pentru a opri producerea unor proteine dăunătoare sau pentru a stimula sinteza celor benefice.
De exemplu, se testează terapii bazate pe ARN pentru a reduce nivelul unei proteine numite Lp(a), implicată în dezvoltarea bolilor cardiovasculare.
Statinele nu scad semnificativ nivelul acestei proteine, iar uneori îl pot chiar creşte, în timp ce terapiile ARN pot opri producerea sa înainte de a se acumula în sânge.
AI în dezvoltarea medicamentelor
Pe lângă rolul său în cercetare, AI este folosită tot mai mult şi în descoperirea de medicamente noi. Poate analiza rapid milioane de molecule, identificând care au cel mai mare potenţial de a deveni tratamente eficiente.
AI „învaţă” din baze de date uriaşe, cum ar fi rezultatele studiilor clinice anterioare sau structurile moleculare, şi recunoaşte caracteristicile asociate cu succesul sau eşecul unui medicament.
Uneori, AI poate chiar concepe molecule complet noi, pe care cercetătorii nu le-ar fi luat în considerare.
De asemenea, poate grupa pacienţii în funcţie de rezultatele analizelor omice sau de alte trăsături biologice şi de stil de viaţă, pentru a asocia fiecare pacient cu tratamentul cel mai potrivit.
Medicina cardiovasculară personalizată pentru un viitor mai sănătos
Bolile cardiovasculare sunt extrem de complexe, dar instrumente puternice precum omica, analiza unicelulară şi inteligenţa artificială le permit oamenilor de ştiinţă să le înţeleagă mai profund.
Aceste tehnologii dezvăluie de ce unii oameni se îmbolnăvesc, iar alţii nu, facilitând atât prevenţia, cât şi tratamentul personalizat.
Timp de decenii, pacienţii cu aceeaşi boală erau trataţi la fel, deşi biologia şi simptomele lor puteau fi foarte diferite.
Astăzi, datorită progresului ştiinţific, tratamentele pot fi adaptate particularităţilor fiecărei persoane.
Pentru ca această abordare, medicina sistemică şi de precizie, să aducă beneficii tuturor, nu doar celor cu acces la centre medicale avansate, este nevoie de colaborare globală între cercetători, medici şi factorii de decizie.
Doar printr-un efort comun, fără graniţe, se poate construi un viitor în care fiecare persoană să aibă şansa reală la o inimă sănătoasă.
Comentează