Korzystanie z symulacji poprawia skuteczność podawania leków.

Firmy farmaceutyczne odpowiadają na wysokie koszty wprowadzania nowych leków na rynek w różny sposób.

Producenci leków testują nowe leki znacznie wcześnie niż kiedyś. Testy są przeprawdzane już w fazie ich projektowania, aby zapewnić sukces nowego leku. W tym samym czasie, istniejące interfejsy API są zmieniane tak, aby obsługiwały nowe zadania terapeutyczne przy wykorzystaniu ulepszonych formuł i metod dostarczania, aby lepiej przebijać bariery fizjologiczne, biochemiczne i fizykochemiczne. Te zmiany zwiększyły uwagę firm na zdolnościach dostarczania leków traktując tą technologię jako bazową, która może zoptymalizować skuteczność leków i efektywność kosztową.

Symulacja to jedna z technologii, która może zwiększyć wydajność, umożliwiając firmom farmaceutycznym wirtualizację modeli i prototypów oraz dostarczanie nowe leków. Mogą być badane różne właściwoście leków, w tym jego skład, wielkość cząstek, przepływu i ludzkiej fizjologii.

Numeryczne narzędzia symulacyjne, takie jak analizy elementów skończonych (MES) i obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) umożliwiają szybkie i ekonomiczne badania szerokiego wachlarza technologii podawania leków. Na początku cyklu projektowania, symulacje numeryczne określają wzory i warunki operacyjne które mogą nie spełniać wymagań terapeutycznych, co pozwala firmom na dokładne analizy bezpieczeństwa i skuteczności jeszcze przed pierwszym prototypem. Później modele mogą być skonstruowane tak, aby symulować rzeczywisty proces podawania leków u ludzi. Mimo, że zaawansowane badania wymagają wiele wysiłku, zwłaszcza gdy wymagana jest walidacja, mają one znaczną przewagę nad procesami doświadczalnymi. Dlatego też, zmogą one zmniejszyć ryzyko zmian w projektach po tym jak produkt zostanie podany zwierzętom i ludziom.

Obliczenia dynamiki płynów.
Ze względu na charakter naturalnego przepływu leków, narzędzia CFD są powszechnie stosowane do zrozumienia i optymalizacji procesu dostawy leku. CFD korzysta z metod numerycznych do rozwiązywania podstawowych równań przepływu płynów i ciepła. Proces rozpoczyna się od stworzenia urządzenia medycznego w systemie CAD lub w innym oprogramiu modelowym. Następnym krokiem jest rozłożenie całej strefy w sieć lub siatkę. Struktury anatomiczne są włączane w razie potrzeby za pomocą jednej z dwóch metod:
- stworzenia wyidealizowanego modelu anatomicznego (za pomocą oprogramowania do modelowania stałych), lub
- wyodrębnianie budy anatomicznej z medycznych skanów zdjęć lub przy użyciu oprogramowania segmentacji.
Narzędzia segmentacji łączą anatomiczne dane z urządznie, tworzą siatkę i eksportują całość w czytelnej formie przez większość widoących komercyjnych programów symulacyjnych. Użytkownik wprowadza dane związane z właściwościami materiału, początkowe i brzegowe warunki oraz przekazuje zadanie do narzędzia CFD. Gdy całość jest już przetworzona, użytkownik wzrokowo i ilościowo analizuje raporty wyników dla przepływu płynu, gęstość, stężenie leku i innych zmiennych. Płaszczyzny cięcia i działki powierzchni są najbardziej rozpowszechionym sposobem wyświetlania wyników. Alternatywnie można wyodrębnić punkt, powierzchnię lub objętość dla porównania ilościowego z danymi doświadczalnymi lub innymi.

Poniższe przykłady ilustrują technologię CFD stosowaną w trzech klasach dostarczania leków: inhalatory, implanty do ciała szklistego i transdementalne.

Technologia wdychania leku jest szeroko stosowana w leczeniu obturakcyjnych chorób dróg oddechowych, takich jak astma i przewlekła choroba płuc. Koszt rozwoju nowego leku oddechowego jest wysoki. Jednym z powodów tych kosztów jest niezwykle trudna metoda oceny skuteczności leku i kosztowny jest sprzęt do dostarczania i osadzania leków. Koszt jest szczególnie duży w przypadku inhalatorów suchego proszku (DPI), ponieważ zarządzanie zarządzanie proszkiem jest skomplikowane poprzez fizykę proszku i efektów aglomeracji. Po eksperymentach symulacje komputerowe moga pomóc w zbadaniu zachowania proszku poprzez możliwość przeglądania poszczególnych sił działających między cząsteczkami. Ta wizualizacja może pomóc w zrozumieniu skutków, takich jak aglomeracja, de-aglomeracja, czy osadzanie się cząstek u pacjenta.

Jedno konkretne narzędzie obejmuje analizę cząstek (ANSYS płynny, ANSYS), który zawiera moduł analizy cząstek. Moduł analizuje interakcję między przepływem powietrza i cząsteczkami aerozolu, jak równiez cząstek leku i cząstek ściany interakcji. Aby zrozumieć i opisać zjawiska w trakcie inhalacji naukowiec musi brać pod uwagę różne aspekty fizyki cząstek.

W przypadku ciała szklistego (oko) symulacja może dostarczyć zrozumienia przejściowego i przestrzennego rozkładu leku w całym oku, dając tym samym szczegółowe informacje na temat czynników wpływających na dystrybucję leków na powierzchni docelowej. Wysiłek modelowania zaczyna się od utworzenia trójwymiarowego modelu przepływu cieczy w oku. Konieczne jest więc utworzenie wyidealizowanej wirtualnej wersji ludzkiego oka, określając właściwości poszczególnych części oka.

Powyższe przykłady ilustrują kluczowe sposoby transportu dziesieszych leków. Oprogramowanie symulacyjne pozwala użytkownikowi na budowę struktur anatomicznych, modeli procesów fizjologicznych a także włączenia zjawisk fizycznych i fizjologicznych. Ich wyniki pozwalają na skrócenie czasu badania i kosztów opracowywania leków.