Nowa metoda dokonywania odkryć biologicznych za pomocą komputera - eksperyment in computo

Postęp nauki zawsze wiązał się z koniecznością ponoszenia różnych kosztów. Niestety gdy mówimy o postępie w biologii, obok kosztów finansowych pojawia się także koszt moralny. Rozważmy to nieco dokładniej. Podstawowe informacje można zwykle uzyskać korzystając z tak zwanych eksperymentów in vitro. Terminu tego nie należy tutaj kojarzyć z problemem zapłodnienia in vitro, który ostatnio rozpala emocje i budzi kontrowersje nie tylko wśród specjalistów, ale także wśród dziennikarzy, polityków, księży i osób prywatnych. W tym wpisie, podobnie jak w większości książek i publikacji biologicznych, określenie in vitro (co dosłownie oznacza "w szkle", czyli w naczyniach laboratoryjnych) odnosi się do wszelkich doświadczeń, w których wykorzystuje się żywe komórki i tkanki (zwierzęce albo ludzkie) wydobyte z ciała dawcy i utrzymywane przy życiu w szklanych naczyniach. Oczywiście, żeby taka wyosobniona z organizmu grupa komórek czy tkanka mogła żyć - trzeba ją zaopatrywać w tlen i pożywienie z wykorzystaniem specjalnych płynów. Płyny te służą także do oczyszczania hodowli ze szkodliwych produktów przemiany materii, zachodzącej ustawicznie w hodowanych żywych komórkach. Biolodzy umieją utrzymać przy życiu takie hodowle dowolnie długo i rozmnażać hodowane komórki, dzięki czemu materiału do badań in vitro nie brakuje. Przykładem znanej linii komórkowej używanej w badaniach in vitro jest preparat HeLa złożony z komórek raka szyjki macicy pobranych 8 lutego 1951 roku od pacjentki o nazwisku Henrietta Lacks. Od tej pory komórki HeLa bezustannie się mnożą i są wykorzystywane w laboratoriach na całym świecie do różnych badań in vitro. Warto dodać, że sama Henrietta Lacks dawno zmarła, ale jej komórki wciąż żyją i wydają się nieśmiertelne!

Łączna masa preparatów HeLa hodowanych na całym świecie, jest oceniana aktualnie na ponad 20 ton (!) czyli wielokrotnie przekracza masę ciała pacjentki, od której te komórki przed laty pobrano. Dowodzi to, że z preparatami in vitro można sobie poczynać dość swobodnie, bo można ich mieć w praktyce dowolnie dużo. Na komórkach tych można wymuszać dowolne zachowania, na przykład skłaniać je do samobójstwa (taki proces nazywa się apopotozą), co jest bardzo kuszącą perspektywą, gdy chodzi o komórki raka. Gdyby je skłonić do tego, żeby się same zabiły, to leczenie raka mogłoby być skuteczniejsze i bezpieczniejsze dla pacjenta. Komórki HeLa są komórkami szczególnie niebezpiecznego raka (który zresztą zabił Henriette Lacks) - ale badacze już umieją skłonić je do samobójstwa.

To jest jednak temat na osobne opowiadanie. W tym wpisie chcę tylko odnotować, że badania in vitro, polegające na tym, że do posiadanej hodowli żywych komórek wprowadza się określone substancje chemiczne (na przykład leki), a także czynniki fizyczne: impulsy elektryczne, ultradźwięki i wibracje, promieniowanie jonizujące itp. - można prowadzić właściwie bez żadnych ograniczeń.

Ograniczona jest jednak przydatność takich badań, bo bardzo wiele procesów inaczej przebiega w komórkach wyodrębnionych z organizmu, a inaczej w organizmie, gdzie każdy narząd, każda tkanka i każda komórka podlega setkom różnorodnych oddziaływań ze strony innych narządów, innych tkanek i innych komórek. Dlatego obok doświadczeń in vitro prowadzone są także doświadczenia in vivo, czyli na zwierzętach. Oszczędzę Państwu obrazów ilustrujących, jak okrutnym doświadczeniom poddaje się zwierzęta w imię wyższego dobra, jakim jest rozwój nauki. Zamiast tego pokazuję obrazek

sygnalizujący tę tematykę w sposób niewinny i sympatyczny. Jeśli jednak ktoś chce zobaczyć, jak naprawdę wyglądają doświadczenia wykonywane na zwierzętach - niech wpisze w Google hasło Vivisection i niech przygotuje się na raczej mocne wrażenia z tej wirtualnej wędrówki po laboratoriach wykonujących doświadczenia biologiczne "na modelu zwierzęcym" - jak się to eufemistycznie określa.

Obecnie doświadczenia na zwierzętach są objęte kontrolą tzw. Komisji Bioetycznej, która wydaje pozwolenia na wykonywanie takich badań na podstawie wniosku badacza. Musi on wykazać, że doświadczenie na modelu zwierzęcym jest w jego przypadku konieczne, że przyniesie rozstrzygnięcie jakichś ważnych problemów naukowych i że podczas eksperymentu zapewnione będą warunki minimalizujące cierpienia zwierząt. Jednak mimo tych ograniczeń liczba zwierząt doświadczalnych czekających na egzekucję jest wciąż zatrważająco duża.

Jeszcze większym ograniczeniom podlegają doświadczenia z udziałem ludzi jako badanych obiektów. Bardzo rzadko są to zresztą aktywne doświadczenia, a częściej obserwacje kliniczne, podczas których ingeruje się wprawdzie w procesy biologiczne toczące się w ciele pacjentów, ale tylko w takim zakresie, w jakim przewiduje to zaplanowana w najlepszej wierze terapia, mająca na celu uzdrowienie pacjenta. Tu zresztą także badacz przed rozpoczęciem eksperymentów musi się ubiegać o uzyskanie zgody Komisji Bioetycznej. Komisja ta w przypadku badań wykonywanych z udziałem ludzi niezwykle dokładnie kontroluje wszystkie warunki i ocenia stopień ryzyka prowadzonych badań.

Ponieważ obserwacje kliniczne są bardzo silnie zależne od okoliczności i czynników przypadkowych (na przykład nie mamy wpływu na to, ilu pacjentów zachoruje na chorobę, którą chcemy w celach badawczych leczyć nową metodą, nie wiemy, w jakim wieku będą chorzy, jak przebiegać będzie podział na mężczyzn i kobiety, jakie będą indywidualne cechy każdego pacjent itp.), więc nigdy tą metodą nie można zbadać żadnego zagadnienia w sposób całkowicie kompletny i wyczerpujący.

Podsumowując tę część rozważań, można stwierdzić co następuje:

Nową wiedzę biologiczną można zdobywać albo w doświadczeniach in vitro, które jednak w wielu przypadkach są niewystarczające, albo w doświadczeniach in vivo, mających dwuznaczną (oględnie mówiąc!) konotację moralną, albo licząc na łut szczęścia, że coś się wyłoni z losowych w dużej mierze obserwacji klinicznych.

Czy to są już wszystkie możliwości?

Otóż nie, ponieważ współczesna nauka dysponuje jeszcze jednym, coraz potężniejszym narzędziem - eksperymentem in computo. O nim właśnie chcę tu dzisiaj wstępnie opowiedzieć, zapraszając Państwa do odwiedzania tego blogu częściej, bo przewiduję co najmniej kilka dalszych wpisów na ten temat.

Na czym polega eksperyment in computo?

Na tym, że biocybernetyka wypracowała bardzo sprawną metodologię budowania i wykorzystywania modeli komputerowych różnych systemów biologicznych: komórek, tkanek, narządów, a nawet całego ciała człowieka. Pisałem o tym we wcześniejszych wpisach, więc Czytelników zainteresowanych podstawową wiedzą na ten temat zapraszam do zajrzenia do nich. W dzisiejszym wpisie rozważany będzie model badawczy komórki

całego narządu

a nawet całego ciała człowieka, który może być potem wykorzystywany także jako tak zwany wirtualny pacjent, na którym studenci medycyny i niedoświadczeni lekarze mogą doskonalić swoją praktyczną wiedzę w zakresie diagnostyki i terapii różnych chorób.

O wirtualnych pacjentach opowiem jednak innym razem, bowiem w tym wpisie chcę głównie pokazać Państwu, jak zastosować metodę eksperymentu in computo. Dlatego interesować nas będzie model biocybernetyczny nadający się do tego, żeby na tym nim właśnie wykonywać doświadczenia naukowe i zdobywać nową wiedzę. Chcemy bowiem tę wiedzę zdobywać, uzupełniać i doskonalić na drodze obliczeniowej, a nie na drodze krwawych eksperymentów na zwierzętach lub ryzykownych obserwacji klinicznych.

Zacznę od tego, że wspólnie prześledzimy proces budowy i wykorzystywania takiego modelu biocybernetycznego na poniższym rysunku.

Punktem wyjścia do zbudowania modelu jest zebranie wyników badań i obserwacji klinicznych, czyli w miarę możliwości całej wiedzy o rozważanym narządzie czy procesie biologicznym (część A rysunku). Zgromadzona wiedza jest na ogół nieuporządkowana, bo każdy naukowiec badał to, co go akurat interesowało, nie troszcząc się o resztę, więc na początku konieczna jest systematyzacja i weryfikacja tej wiedzy (część B rysunku). Z takiej usystematyzowanej wiedzy biologicznej zbudować można - na drodze formalizacji - model matematyczny rozważanych procesów i struktur (część C rysunku). To jest najważniejsza i najtrudniejsza część pracy biocybernetyka, której poświęcę oddzielny wpis na tym blogu.

Natomiast przechodząc do dolnego rzędu obrazków na rysunku widzimy, jak model można wykorzystywać. Na podstawie modelu matematycznego można zbudować program symulacyjny, który można umieścić (zaimplementować) na wybranym komputerze (część D rysunku). Taki program może służyć potem do badań symulacyjnych, w ramach których możemy zadawać mnóstwo pytań typu "co by było, gdyby ...". Najpierw oczywiście zadajemy takie pytania, na które znamy prawidłową odpowiedź. A mianowicie, zebrane wyniki badań i obserwacji klinicznych (patrz część A rysunku) zawierają dane, wskazujące, że w pewnych warunkach rozważany system biologiczny przejawiał pewne konkretne formy zachowania. Jeśli nasz model symulacyjny został poprawnie zbudowany, to powinien on owe zachowania dokładnie odtworzyć. Jeśli na tym etapie eksperymentu weryfikacyjnego takiego efektu wiernego odtworzenia znanych faktów nie udaje się uzyskać - to znaczy, że model jest niedoskonały i trzeba go ulepszyć. Może w inny sposób usystematyzować znane fakty? Może coś zostało przeoczone lub źle zinterpretowane? Może formalizacja poszła w złym kierunku i dostarczyła wadliwego modelu matematycznego?

Dopóki źródło błędów nie zostanie wykryte i dopóki model nie zacznie działać w sposób gwarantujący wierne odtwarzanie wszystkich znanych faktów - kolejnego kroku zrobić nam nie wolno.

Przy dużej dozie cierpliwości i przy odrobinie szczęścia udaje się (na ogół...) doprowadzić do tego, że wyniki symulacji komputerowej zgadzają się ze wszystkimi znanymi faktami.

W tym momencie zaczyna się wielka przygoda!

Zaczynamy stwarzać w symulacyjnym modelu sytuacje, których w biologicznej rzeczywistości nikt nigdy nie badał. Zauważcie Państwo, że mamy w tym momencie absolutną swobodę: eksperyment symulacyjny nikomu nie robi żadnej krzywdy, więc nie są potrzebne żadne zgody Komisji Bioetycznej. Eksperyment taki prawie nic nie kosztuje, więc można sprawdzać "co by było, gdyby ..." dla bardzo licznych, fantastycznych, czy nawet wręcz zwariowanych warunków. Nie mamy też żadnych ograniczeń typu "skończył się zakres dostępnych (możliwych do wytworzenia) wartości sygnału itd. Prowadząc symulację komputerową można "przeszukiwać" przestrzeń możliwych pytań i fantastycznych hipotez w praktycznie całkowicie dowolny sposób. To właśnie jest ten tytułowy "eksperyment in computo".

Gromadzimy w ten sposób liczne wyniki symulacji, których analiza i interpretacja (patrz część E rysunku) prowadzi do określonych wniosków z symulacji. Wnioski te stanowią nowe wyzwanie dla medycyny i biologii, bo sugerują, że powinien istnieć jakiś nieznany wcześnie proces, albo obiekt, albo zjawisko - które komputer przewidział, a którego "mędrca szkiełko i oko" wcześniej nie widziało. Jest to ziarno nowego odkrycia, naukowa przepowiednia, która zwykle wywołuje w gronie badaczy wielkie podniecenie:

- Czy coś takiego naprawdę istnieje?

Oczywistym kolejnym krokiem jest weryfikacja laboratoryjna i kliniczna (patrz część F rysunku) owych oryginalnych "przepowiedni" oraz "być-może-odkryć", które wyłoniły się jako wnioski z symulacji. Decydujący głos w naukach przyrodniczych ma bowiem zawsze konkretny eksperyment . I taki eksperyment na konkretnych obiektach trzeba przeprowadzić, nawet jeśli obiektami tymi będą owe nieszczęsne zwierzęta doświadczalne. Jednak zwróćmy uwagę, że w tym przypadku wielka ilość różnych możliwości została przebadana metodą symulacyjną, czyli poprzez eksperyment in computo, a tylko jedną (lub kilka) konkretnych hipotez weryfikuje się in vivo. Oszczędza się dzięki temu życie i zdrowie ogromnej liczby zwierząt, które bez tej symulacji komputerowej musiałyby sprawdzać wszystkie hipotezy na własnej skórze (w jak najbardziej dosłowny sposób :-) !).

Ciekawe wnioski można wyciągnąć rozważając możliwe wyniki owej laboratoryjnej i klinicznej weryfikacji wniosków z symulacji. Badacze najbardziej pragną pozytywnego wyniku weryfikacji (odpowiadającego napisowi "Tak" na rysunku. Jest to potwierdzenie, że za pomocą eksperymentów in computo można dokonywać nowych odkryć naukowych, a głównym wynikiem jest wzbogacenie praktyki. Skoro dowiedzieliśmy się czegoś nowego, czego wcześniej nikt się nawet nie domyślał, to być może na tej podstawie da się stworzyć nową procedurę diagnostyczną, albo nową terapię, albo nową metodę osiągania nowych celów biologicznych. Krótko mówiąc, za sprawą wyniku symulacji, który udało się pozytywnie zweryfikować doświadczalnie lub klinicznie, nasza wiedza została istotnie wzbogacona.

Co ciekawe - wynik negatywny (oznaczony "Nie" na rysunku) także nie jest bezużyteczny. Skoro wynik symulacji nie potwierdza się w rzeczywistości - to coś jest niedobrze. Matematyczną formalizację oraz komputerową implementację realizowanego modelu sprawdziliśmy (i ulepszyliśmy) podczas eksperymentów weryfikacyjnych, gdzie sprawdzano zdolność modelu do odtwarzania znanych faktów. Jeśli więc model jest poprawny, a daje błędne wyniki, to przyczyna zwykle leży w błędnej teorii, przyjętej podczas gromadzenia i systematyzowania danych empirycznych. Wydawało nam się, że coś rozumiemy, że potrafimy wskazać przyczyny i skutki - a tu się okazuje, że końcowy efekt (model symulacyjny oparty na tej teorii) zawiódł.

No to trzeba zmienić teorię!

O tym, jak to robić, oraz co z tego wynika, opowiem Państwu jednak w kolejnym wpisie na tym blogu.