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将定量系统药理学添加到药理学课程中

俄克拉荷马大学药学学院正在教授药物科学博士生如何创建多尺度模型，以分析人体内部的药物处置。

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布里奇特·保罗斯（Bridget Paulus）
2019年7月

优化药物剂量，评估副作用，改善临床试验并降低上市成本和时间 - 这些只是模型信息开发的一些好处。由于这些优势，美国食品药品监督管理局（FDA）鼓励制药公司在其产品开发周期中包括模拟。只有一个问题：公司通常很难找到具有良好模拟经验的候选人，因为在大多数药物科学计划中，数学建模是最小的。

为了解决这个问题，定量系统药理学研究所和俄克拉荷马大学健康科学中心的药学学院于2014年合作开发了创新的课程。在该计划中，研究助理教授Roberto A. Abbiati设计了俄克拉荷马大学药学院药物科学学生模拟的博士学位课程。该类概述了ComsolMultiphysics®软件中的数值分析和建模工作流程。学生学习如何将建模应用于药代动力学，这是研究人体对管理药物的影响的药理学分支。具体而言，Abbiati应用建模来简化人体药物浓度水平和预期目标位点的定量，这是在开发潜在的挽救生命治疗时的重要问题。

向下一代制药科学家教授建模

药学科学学生了解了各种各样的科目，但模拟通常不是其中之一。根据Abbiati的说法，这是一个问题：“除了成为公司的理想技能外，建模和仿真有助于设计更好的实验，”他说。

Abbiati的课程旨在教授药物科学博士生如何在其工作中利用模拟软件。该课程从MATLAB®软件开始学生，该软件是通往其他类型的数学建模软件的桥梁。随着课程的继续，Abbiati和他的学生深入研究了数值分析和有限元方法。

最终，学生学习如何在comsol多物理学中构建模型。Abbiati将它们带入建模工作流的每个步骤。学生学习如何构建几何形状（从2D开始，例如图1中的层流示例）；设置物理学；确定模型的最佳网格（图2）；和后处理结果（图3）。

在整个课程中，班级学习如何同时创建隔室和多尺度模型。前者是药代动力学应用的标准，是一个更容易理解的概念。Abbiati说，标准的隔间模型“假设人体就像一个盒子，有一个通量，一个助焊剂出来。”使用普通的微分方程，隔室建模是确定人体药物浓度随时间的简单方法。但是，这种类型的模型有一个主要的限制。Abbiati说：“它无法确定该药物在特定组织中的位置，这在包括癌症治疗在内的几种应用中是一个关键的限制。”

输入多尺度建模。尽管与隔室建模相比，它需要对生理和生物学过程有更详细的了解，但多尺度建模能够为药物如何穿透某种组织或器官的深度提供宝贵的见解。这种类型的模拟涉及考虑整个人体，单个器官，单个细胞的尺寸量表，以至于分子水平。尽管听起来像是一个复杂的主题，但Abbiati展示了一种逐步的方法，使学生更容易学习。

深入了解肿瘤治疗

Abbiati博士通过与定量系统药理学研究所的团队进行了一些自己的研究，强调了药代动力学的多尺度建模的好处。他目前正在研究药物如何与实体瘤相互作用。

这些通常通过血液传播的药物可能很难进入肿瘤。问题是，这些类型的群众具有“限制药物输送的物理障碍”。例如，肿瘤部位通常具有高压，因此使药物很难穿透它们。

Abbiati说：“我正在使用comsol®来了解肿瘤的物理结构以及如何成为药物输送的障碍。”为了获得这种见解，他使用多物理学模拟来模拟微血管血管中的血流，肿瘤间质空间内的药物运输以及与肿瘤细胞的相互作用。Abbiati假设液体随身携带该药物，并根据肿瘤质量内的压力梯度进行建模。然后他用稀释物种的运输界面描述药物浓度。

Abbiati说，他能够使用该模型“根据其物理结构随着时间的变化的变化来确定药​​物的深度渗透到多深的肿瘤”（图4）。使用多物理分析的优点是他可以“描述在任何给定时间和肿瘤的任何给定位置的药物的位置”。从他的研究中可以明显看出，多尺度建模是药代动力学的有用工具，使研究人员能够更好地了解药物浓度如何受到人体的影响。

通过在他的博士学位药物科学课程中教授模拟，Abbiati为学生提供了一项有价值的药物研究技能，可以极大地改善未来的药物开发过程。除此之外，由于这些学生将以模拟背景毕业，因此当他们准备进入劳动力时，他们对制药公司更具吸引力。

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