透過 CAE 模擬大幅減少呼吸道藥物的研發成本

據估計，為氣喘、肺氣腫和囊性纖維化等呼吸道疾病研發新的吸入治療藥物的成本可能超過 10 億美元，這在製藥業中是較高的，這個數字甚至遠遠超過了為治療癌症或神經障礙研發藥物所需的成本。

造成如此高成本的主要原因是，目前用於評估呼吸道藥物有效性的試驗方法是，僅針對患者長期結果採取粗糙措施，即便採用上述方法不僅極為耗時而且成本高昂，因為這需要在很長的一段時間內對眾多患者進行測試，不過研究人員可以藉助新興的電腦建模技術來解決這些問題。

 

CAE 模擬節省數百萬美元的呼吸道藥物研發成本

電腦建模方法不僅可以使用電腦模擬加快醫療研究，相比大量的實驗室工作和大規模臨床試驗，還能提供更詳細的資訊，尤其許多透過電腦建模進行的呼吸道研究，都基於流體動力學模擬來產生準確的肺功能影像，例如不同患者的氣道容量和阻力，此項技術已被用於研究動物的呼吸道結構，因為在人體內也能測量到相同的功能參數，這讓研究人員能夠更高效率地從臨床前期進入臨床試驗階段。透過準確地量化肺功能中這些相對微小的變化，這種方法利用少數量的患者就能證明呼吸道藥物的有效性，這有望將研發過程縮短至數年時間，並節省數百萬美元的成本。

目前測試氣道疾病的黃金標準是 FEV1，即吸氣至肺總量後用力呼氣，在第一秒鐘內所呼出的氣量容積，另一種廣泛用於評估肺部疾病患者的方法是聖喬治呼吸問卷(SGRQ)，這是一系列對患者健康狀況進行比較測量的問題。

這些方法主要用於評估患者的長期存活率，但它們缺乏與呼吸的微小差異相關的敏感性，而通常我們更難發現和量化這些差異，正因為這些參數的不確定性和它們之間的差異，研究人員必須花費大量時間和費用來收集關於藥物有效性的數據，並且對經過較長時間從大規模參與測試者中獲得的結果計算平均值。

圖1. 透過使用計算流體動力學進行功能性成像來評估氣道容量和阻力的變化

 

流體模擬大幅縮短呼吸道藥物的研發時間

呼吸道藥物研發所需的時間長的令人驚訝。臨床前動物研究一般需要兩到四年，而且由於不同物種間缺乏關聯和共同的特性，從動物研究轉換到人類臨床試驗還需要額外的時間，後續臨床試驗要持續 5 到 7 年時間，並且會涉及數千名患者，監管機構還需要三年時間來解讀和驗證臨床試驗的結果，因此在藥物完成註冊，醫療專業人員把它列入處方之前，總共需要 9 到 14 年的時間。

一項專利的期限為 15 年，這就只給製藥公司留下幾年的時間來收回研發成本，冗長的研發過程提高了呼吸道藥物的零售價格，並且使藥物遲遲不能應用於病人，由於 ROI（投資回報）的不確定性，這個過程往往會讓製藥公司不敢投入大量資源。

透過量化一類全新、與肺功能變化更加緊密相關的功能參數，電腦建模與模擬可望顯著減少呼吸道藥物的研發時間和成本，由此得到針對具體病患的功能性影像數據，是「轉化醫學」這一新興領域的重要組成部分，這個專業學科的研究人員不斷尋找那些能夠加速藥物，從臨床前轉化到臨床階段的參數，這些方法已經用在不同呼吸設備的吸入特性，以及沈積模式研究中表示動物的呼吸結構，在這些研究中，氣道容量的常用參數和由功能成像確定的阻力，能夠更有效率地實現從臨床前到臨床試驗的轉化。

透過在研發成本與時間關係圖中改變成本曲線的斜率，這種轉化方法將改變從臨床前到臨床試驗的成本斜率，並且顯著降低整個週期的成本，此外這種方法還能夠縮短研發時間，更快完成註冊，讓製藥公司在專利保護期內有更多時間銷售產品。 

圖2. Sprague Dawley 大鼠呼吸道系統的分割展示了氣道結構建模，以及從 CT 掃描獲得的相應肺葉體積

 

Ansys Fluent 軟體協助您持續研發創新藥物

實際上，針對特定患者的成像和模擬技術與吸入器選擇和建模完美結合，預計將專利申請到註冊的研發時間縮短數年，並節省數百萬美元的成本，如果將該方法用於藥物研發到推出市場的整個流程，其所帶來的時間和成本節約將會非常顯著，在新藥物的研發成本下降後，就能在不影響利潤的情況下降低這些產品的價格，讓製藥業能夠持續研發新的創新藥物，最終這個流程將促進建立起更有永續性的醫療衛生體系。

圖3. 在臨床前研究向臨床試驗的轉化中，基於計算機的功能成像透過使用常用參數，可促進呼吸道藥物研發的轉化方法。

 

鑑於先前的研究所取得的巨大進展和持續進行的電腦建模與模擬工作，在可預見的將來，這樣大的成本節約是完全可能實現的，頗有前景的工作不斷推動功能性成像技術的發展，而計算流體動力學和結構模擬領域的最新發展，使得模擬肺氣道內的肺氣流行為和描述周圍組織的特徵成為可能，這項研究是以高解析度計算體層攝影(HRCT)掃描中直接擷取的幾何結構為基礎。

基於這項工作，電腦技術有望使研究人員進行建模模擬，以獲得氣道阻力等功能參數並將其用作不同患者的生物標記，在包括 Fluid DA 的研究在內的許多已發表的試驗中，均使用了這些針對特定患者且能夠描述呼吸系統中獨特流型的 HRCT 模型，這些研究中有一部分著重於吸入藥物治療的效果，並透過 Ansys Fluent 流體動力學軟體進行功能性成像，以評估氣道容量和阻力的後續變化。

 

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