以下文章经The Conversation许可转载，The Conversation是一个涵盖最新研究的在线出版物。
在将新药用于患者之前，安全性至关重要——这就是为什么每年在全球范围内对数百万只动物进行药物测试，以检测可能的风险和副作用。但研究表明，心脏计算机模拟有潜力改善患者的药物开发，并减少对动物实验的需求。
迄今为止，动物实验一直是检查新药最准确和可靠的策略，但它昂贵、耗时，并且对某些人来说极具争议性。
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由于动物和人类之间的差异，也可能遗漏一些副作用。因此，药物试验尤其成问题，显然需要新的测试方法来促进开发更好和更安全的药物。
人类和其他动物
每年在药物开发中使用多种动物物种——包括大鼠、小鼠、兔子、豚鼠、狗和猪——来预测药物可能对人类心脏产生的副作用。
但是，虽然潜在的生物学原理相似，但当患者服用药物时，动物细胞和人类细胞之间的小差异会被放大。研究表明，这意味着预测患者风险的准确率仅为（75% 到 85%）左右，并且由于心血管安全问题，还会导致药物从市场撤回。
然而，现在可以在“虚拟人”中测试一种新的心脏药物。牛津大学计算机科学系的我们最近的研究表明，代表人类心脏细胞的计算模型在预测药物不良反应（例如危险的心律失常——心脏跳动变得不规则并可能停止）方面，比动物模型显示出更高的准确性（89-96%）。
这表明，人类计算模型将带来额外的优势，包括减少药物测试早期阶段的动物实验使用；提高药物安全性，从而降低临床试验期间患者的风险；并加快为急需医疗保健的患者开发药物的速度。
心脏计算机模型
英国生物学家Denis Noble于 1960 年首次在牛津开始尝试心脏计算机模型。从那时起，该技术不断发展，并已准备好集成到工业和临床环境中。
由于人类实验数据，人类计算机模型现在可以在不同的尺度上使用，从单个细胞到整个心脏，它们可以用于探索人类心脏在健康或疾病状态下以及在药物作用下的行为。
除了“一刀切”的模型方法外，还有新的基于人群的方法。每个人都是不同的，有些药物可能只对特定人群产生有害的副作用，例如具有特定基因突变或疾病的人。
计算心血管科学团队的研究表明，在预测药物引起的人类心脏副作用方面，人类心脏细胞计算机模型比动物实验更准确。由于这项研究具有取代实验室动物实验的潜力，因此荣获国际奖项。
我们将这项技术融入到名为Virtual Assay的软件中，非专业人士也可以轻松地在建模和模拟中使用它。
该软件为 Microsoft Windows 提供了一个简单的用户界面，可以在其中构建基于人类数据的具有特定属性的健康心肌细胞对照组。然后，它可以用于运行计算机模拟的（称为in silico）药物试验，然后再分析结果。整个过程非常快：使用现代笔记本电脑在 100 个人类心肌细胞模型的人群中测试一种药物只需不到五分钟。
多家制药公司已经在使用和评估 Virtual Assay，该软件可免费获得学术许可，并且可以供临床医生和制药公司使用。
这项研究是更广泛地将计算机模型整合到药物安全测试中的一部分，其中包括美国食品和药物管理局及其他组织推动的体外促心律失常综合测定倡议。
突破计算机科学的界限
虽然心脏细胞模拟可以在几分钟内运行，但整个心脏的 3D 计算机模型仍然需要大量的计算能力。例如，在一个拥有近 1,000 个处理器的超级计算机中，一次心跳可能需要大约三个小时。
我们现在正在研究心脏的 3D 模拟，以更大规模地探索药物的心脏安全性和有效性。这包括探索疾病状况，例如急性缺血——心脏周围动脉之一的血流受阻。这项研究也是欧洲 CompBioMed 项目的一部分，该项目旨在为整个人体构建计算机模型：一个虚拟人。
通过将学术界、制药行业和监管机构聚集在一起，我们希望加速以人为本的体外方法在评估心脏药物安全性和有效性方面的应用。
计算机模拟是动物实验的一种更快、更便宜且有效的替代方案——它们将很快在药物开发的早期阶段发挥重要作用。
本文最初发表于The Conversation。请阅读原文。