Virtuella celler och 4D-filmer ska snabba på utvecklingen av nya läkemedel

Att identifiera och testa nya verksamma substanser mot svåra sjukdomar som cancer och Alzheimers är i dag en process som ofta tar åtskilliga år och kräver omfattande laboratorieexperiment. I en studie publicerad i tidskriften Cell presenterar forskare vid University of California San Diego nu ett nytt angreppssätt: virtuella cellmodeller och digitala tvillingar som simulerar hur cellernas inre strukturer reagerar när de utsätts för läkemedel.

Men hur fungerar egentligen tekniken bakom de virtuella cellerna? Forskargruppen, ledd av Johannes Schöneberg, använde avancerad mikroskopi för att spela in 40 000 fyrdimensionella sekvenser av levande celler som behandlats med 25 olika substanser. Sekvenserna fångar både tre rumsdimensioner och tidsaspekten hos mitokondrierna, cellens kraftverk, vilka ständigt ändrar form, delar sig och slås samman. Forskarna tränade därefter en djupinlärningsmodell kallad MitoSpace utan förhandsetiketter, så att systemet självt fick lära sig känna igen förändringar i mitokondriernas dynamik. När modellen analyserade cellernas rörelsemönster över tid lyckades den avgöra läkemedlens verkningsmekanism med 75 procents träffsäkerhet, jämfört med 56 procent när den enbart analyserade statiska tredimensionella bilder.

Modellen visade sig dessutom kunna förutsäga mitokondriernas elektriska membranpotential utifrån deras fysiska formförändringar med hög precision. Genom att kombinera mönsterigenkänningen med fysikaliska simuleringar är målet att skapa fullständiga digitala tvillingar av mänskliga celler. Det gör det möjligt att snabbt och träffsäkert sålla fram fungerande läkemedelskandidater virtuellt innan mer resurskrävande laboratorietester genomförs.