Om uit te vinden of medicijnen werken, moeten er testen uitgevoerd worden. Doen we deze testen in de toekomst op een 'virtuele mens' in plaats van dieren en medemensen? In Leiden werken onderzoekers aan een virtuele mens, bestaande uit algoritmes, die kan voorspellen wat een ingebrachte stof in het lichaam doet. Hierdoor zouden medicijnen sneller en verbeterd ontwikkeld kunnen worden.

Kunstmatige intelligentie, ook wel artificial intelligence (AI), wordt behalve voor zelfrijdende auto's en sociale media ook steeds vaker in de gezondheidszorg gebruikt. Bijvoorbeeld als hulp bij het stellen van diagnoses. En als het aan Gerard van Westen ligt, gebruiken we AI in de toekomst ook voor het sneller ontwikkelen van (betere) medicijnen tegen bijvoorbeeld kanker.

Van Westen is hoogleraar Artificial Intelligence en Medical Chemistry en werkt bij het Leiden Academic Center for Drug Research en het Leiden Instituut voor Chemisch onderzoek. Met veel partners uit de wetenschap en het bedrijfsleven doet hij onderzoek naar de virtuele mens: een model bestaande uit computerprogramma's, algoritmes en data. Hiermee kan bijvoorbeeld de veiligheid van chemische stoffen en medicijnen beter beoordeeld worden, zonder proefdieren.

Voorspellen wat medicijnen doen

Van Westens dagen staan in het teken van moleculen, waar stoffen - maar ook mensen - uit bestaan. Moleculen zijn weer opgebouwd uit atomen. Zo bestaat water bijvoorbeeld uit twee atomen waterstof en een atoom zuurstof. Haal je de atomen uit elkaar? Dan is het geen water meer. Een belangrijk onderdeel van medicijnontwikkeling is het vinden van moleculen die op een veilige en efficiënte manier het gezochte effect bereiken.

"Met behulp van AI proberen we te voorspellen wat medicijnen in ons lichaam doen en bedenken we nieuwe moleculen," vertelt Van Westen. "Het voorspellen van wat ze doen, kan je vergelijken met een spamfilter, waar bijvoorbeeld moleculen met gewenste effecten (geen spam) gescheiden worden van ongewenste effecten (spam)."

"Het bedenken van nieuwe moleculen kan je dan weer vergelijken met een deepfake". Bij een deepfake wordt AI gebruikt om bestaande afbeeldingen en video te combineren. Gezichten van mensen kunnen zo bijvoorbeeld worden verwisseld. Slimme software creëert die video's. "Wij doen dat met moleculen. Gebaseerd op bestaande medicijnen voor bekende aandoeningen genereren we nieuwe moleculen die er sterk op lijken, maar nog nooit gemaakt zijn. Die kunnen we dan op werkzaamheid testen".

In het onderzoeksproject 'Virtual Human Platform for safety assessment' houdt Van Westen zich voornamelijk bezig met de veiligheid (giftigheid) van chemische stoffen en medicijnen. Maar een virtuele mens kan ook helpen bij medicijnontwikkeling, door te kijken naar de werking van een stof in plaats van de veiligheid ervan. Het ultieme doel is een virtuele mens waarbij je het verwachte effect van een molecuul precies kan voorspellen. "Als je precies begrijpt wat er gebeurt, kan je een betere inschatting maken en ook beter aan medicijnen knutselen om ze te verbeteren."

Sneller, efficiënter en goedkoper

Helemaal nieuw is de virtuele mens niet. Het is een evolutie van de laatste dertig jaar. "Voorheen dachten we dat een dergelijk computermodel er pas in 2035 zou zijn. Maar de technologie staat niet stil en er komt ook steeds meer data beschikbaar over moleculen en hun werking. Hierdoor kan er al veel meer dan gedacht."

Hoewel er steeds meer mogelijk is, is een medicijn ontwikkelen nog steeds een kostbaar en tijdrovend proces. De virtuele mens kan dat proces efficiënter maken en de kans vergroten dat je een veilig molecuul vindt waarmee een nieuw medicijn ontwikkeld kan worden.

"Het systeem kan voorspellen welk molecuul je nodig hebt, zodat een chemicus sneller het goede molecuul kan maken en er minder uitgeprobeerd hoeft te worden." De kosten zijn ook nog eens minimaal, onderstreept Van Westen. "Het kost alleen stroom, een server en het salaris van een assistent in opleiding."

Algoritmes zijn daarbij ook minder bevooroordeeld dan mensen. Hierdoor kan je breder kijken, vertelt de hoogleraar. "Er zijn meer dan miljarden en miljarden moleculen. Maar welk molecuul is nodig voor het volgende kankermedicijn? Zonder algoritme is het onhaalbaar om alle mogelijke moleculen en chemische verbindingen te bekijken."

Virtueel vs. echt mens

Uit onderzoek blijkt dat testen op de virtuele mens wellicht beter werkt dan op dieren. Er wordt nu namelijk getest op gestandaardiseerde diermodellen. Dankzij de virtuele mens kunnen medicijnen ook worden getest op specifieke groepen, zoals vrouwen of kinderen. Dat komt omdat je alle parameters – zoals bijvoorbeeld geslacht en leefstijl – bij de virtuele mens bepaalt. "Bij een echt mens kennen we niet altijd alle variabelen. Dat is ook het grote verschil tussen de virtuele en echte mens."

'AI zal de wetenschap nooit vervangen'

Wanneer medicijnen getest zullen worden op de virtuele mens durft de hoogleraar nog niet te zeggen. "We dachten ook dat het 2035 zou zijn voordat dat we een dergelijk computermodel zouden hebben. Ik hoop dat het heel snel toepasbaar is, want er zijn zoveel voordelen."

"Wat ik wel weet, is dat AI nooit de wetenschap of experimenten zal vervangen. Maar wetenschappers die geen AI gebruiken, zullen waarschijnlijk wél vervangen worden door wetenschappers die dat wel doen. Zie het als het gebruik van Excel. Je hoeft de details niet te kennen, maar je moet je wel bewust zijn van wat je ermee kan."

Stel je vraag aan de wetenschap

Meer leren over welke enorme kansen kunstmatige intelligentie de gezondheidszorg biedt? Of zelf een vraag stellen aan onderzoekers? De Nationale Wetenschapsagenda (NWA) gaat op zoek naar jullie vragen aan de wetenschap. Volg de NWA op Facebook en Instagram voor live sessies met wetenschappers.