Ранние этапы исследований, связанных с открытием лекарств, включая идентификацию соответствующей биологической мишени и жизнеспособного ведущего соединения, играют решающую роль в общем успехе кандидата на лекарство в доклинических и клинических исследованиях. Стоит также отметить, что процесс открытия лекарств чрезвычайно трудоемок как с точки зрения требований к капиталу, так и с точки зрения времени. Более того, всегда существует высокий риск неудачи, связанный с программами исследований и разработок (НИОКР), и, учитывая растущую строгость регулирования, одобрение новых лекарств стало значительно сложнее. В последние годы потенциал технологии квантовых вычислений произвел революцию в различных отраслях. Одной из таких областей, целью которой является получение выгоды от технологии квантовых вычислений, является открытие лекарств. Традиционные методы, используемые для открытия лекарств, отнимают много времени и ресурсов. С другой стороны, квантовая технология способна решать большие и сложные проблемы за более короткий период времени. В настоящее время квантовая физика используется для открытия и разработки лекарств благодаря ее способности проверять миллиарды молекул на конкретные цели за короткий промежуток времени. Эта процедура снижает сложность и помогает сэкономить время и затраты, связанные с процессом разработки лекарств. Технология квантовых вычислений поддерживает несколько этапов разработки лекарств: от идентификации цели до оптимизации потенциальных клиентов.

Историческая эволюция вычислительных препаратов Подходы к открытию

Древние врачи во многом полагались на случайные открытия для определения способов успешного лечения болезней. Более того, традиционная медицина в основном основывалась на природных источниках, и знания о таких терапевтических средствах передавались либо посредством устного общения, либо посредством письменных записей. В 1950-х годах были внедрены методы синтетической химии, и исследователи-фармацевты не могли синтезировать/модифицировать терапевтические вещества в соответствии со своими потребностями в разработке лекарств. Этот подход включал в себя различные технологии, которые значительно ускорили процесс открытия, а также дали возможность идентифицировать новые молекулы. Несмотря на использование методов синтетической химии, открытие лекарств по-прежнему требовало значительных затрат и вложений времени. Кроме того, из-за отсутствия понимания того, как молекулы лекарств могут вести себя жить , многие ведущие молекулы, которые достигли клинических стадий разработки, пришлось прекратить, когда они не смогли продемонстрировать адекватную терапевтическую пользу. Достижения в области вычислительных технологий привели к появлению различных цифровых подходов к открытию лекарств. Большинство этих методов следующего поколения были основаны на интеграции вычислительных инструментов с традиционными этапами ранних фармацевтических исследований. Одним из таких подходов, сумевших завоевать значительную популярность в фармацевтической промышленности, стало использование высокопроизводительного скрининга (ВТС) и комбинаторной химии, предполагающее использование технологий автоматизации и некоторых программных решений. Однако значительная часть молекул, идентифицированных с помощью этого процесса, не смогла продемонстрировать терапевтическую жизнеспособность при дальнейших экспериментах, часто демонстрируя плохие свойства абсорбции, распределения, метаболизма, выведения и токсичности (ADME).

История компьютеров в фармацевтических исследованиях и разработках

Cadd против технологии квантовых вычислений

Достижения позволили разработать более совершенные в кремнеземе подходы, которые показали больший потенциал в более быстрой идентификации новых молекул лекарств, что позволило значительно сэкономить средства по сравнению с подходом HTS и комбинаторной химии. Например, концепция CADD (компьютерное открытие лекарств) была впервые представлена ​​в начале 21 века.^ул. века, когда конкретный фармакологический кандидат был идентифицирован с использованием процесса виртуального скрининга, в ходе которого оценивались различные молекулы-кандидаты, имеющие благоприятный химический состав и проявляющие биологическую активность. Кроме того, он был основан на знаниях, полученных из его химической структуры и использовании методов молекулярного стыковки для выяснения его взаимодействия с соответствующей биологической мишенью. Однако это все еще были методы инвестирования времени и затрат. Для обработки больших и сложных молекул потребуется больше времени.

Для решения этих проблем возникла и стала известной квантовая технология. Стоит отметить, что этот подход привел к получению ценной информации, которая потенциально могла помочь в разработке альтернативных продуктов-кандидатов. Если ведущая молекула не смогла продемонстрировать терапевтическую пользу на любой стадии разработки. Подсчитано, что использование квантовых вычислений при разработке лекарств потенциально может сэкономить до 50% затрат, понесенных при разработке традиционных лекарств.

Обзор технологий квантовых вычислений в открытии лекарств

Квантовая физика основана на принципах квантовой механики — раздела физики, изучающего поведение частиц в мельчайших масштабах. В отличие от традиционных двоичных компьютеров, которые работают либо с 0, либо с 1, квантовые компьютеры имеют квантовые биты или кубиты, которые могут существовать в нескольких состояниях одновременно из-за явления, известного как суперпозиция. Кроме того, кубиты могут быть запутаны, что позволяет состоянию одного кубита влиять на состояние другого независимо от расстояния между ними. Эти свойства позволяют квантовым компьютерам решать определенные задачи гораздо быстрее, чем классическим компьютерам. В настоящее время квантовые компьютеры работают с использованием гибридного алгоритма, в котором классические компьютеры выполняют основную часть вычислений, а квантовым процессорам требуется несколько секунд для решения проблемы. Благодаря своей способности решать очень сложные проблемы квантовые вычисления преодолевают ограничения традиционных компьютеров и, вероятно, обеспечат значительный прогресс в таких областях, как фармацевтическая промышленность.

Сколько средств экономится с помощью квантовых технологий?

За прошедшие годы появились различные вычислительные инструменты и услуги, позволяющие выбирать, моделировать, анализировать и оптимизировать потенциальных ведущих кандидатов. Предсказательная сила квантовой технологии оказалась чрезвычайно выгодной, позволяя исследователям обойти случайный скрининг миллиардов молекул в сотнях биологических мишеней. В результате игроки, предлагающие технологии квантовых вычислений, теперь стали неотъемлемой частью фармацевтической промышленности. По мнению отраслевых экспертов, почти 30% общих затрат и времени, затраченных на разработку нового препарата, можно сэкономить, воспользовавшись такими услугами. Ожидается, что из-за значительной экономической выгоды, предлагаемой такими подходами, в ближайшие годы увеличится внедрение программного обеспечения и аппаратного обеспечения для квантовых вычислений. Кроме того, ожидается, что растущее число проектов по открытию лекарств в сочетании с их быстрым продвижением на различных стадиях открытия лекарств будет продолжать создавать растущий спрос на вычислительные услуги.

Традиционные технологии против квантовых вычислений в разработке лекарств

Как указывалось ранее, использование квантовых вычислений не только позволяет разрабатывать и оптимизировать новые лекарственные соединения, но также помогает генерировать ценные данные, связанные с их структурой и взаимодействием с различными биологическими молекулами. Также было показано, что этот метод помогает предсказать механизм действия различных соединений свинца.

Преимущества квантовых вычислительных технологий при открытии лекарств

Ниже описаны различные преимущества, связанные с квантовыми вычислениями при разработке лекарств:

• Ускоренная разработка лекарств: Вычислительный подход квантовой физики ускорил сроки открытия лекарств. Квантовые технологии ускоряют высокопроизводительный скрининг множества целевых молекул в определенный момент времени, тем самым сокращая сроки открытия лекарств.
• Экономия затрат: Способность квантовых вычислений упростить моделирование и сократить количество экспериментов методом проб и ошибок может значительно снизить затраты, связанные с открытием лекарств. Исследователи могут лучше распределять ресурсы на перспективных кандидатов на лекарства.
• Возможности персонализированной/прецизионной медицины: Вычислительные возможности квантовых вычислений могут проложить путь к персонализированной и точной медицине. Принимая во внимание индивидуальные генетические вариации и характеристики заболевания, исследователи могут разработать индивидуальное лекарственное лечение, обеспечивающее более высокую эффективность и меньшее количество побочных эффектов.

Проблемы, связанные с квантовыми вычислительными технологиями при открытии лекарств

Ниже описаны различные проблемы, связанные с бесклеточным биопроизводством:

• Аппаратные ограничения: Квантовые компьютеры все еще находятся на стадии разработки, и стабильность их кубитов и частота ошибок остаются проблемами, требующими решения.
• Разрыв в экспертных знаниях: Квантовые вычисления требуют специального набора навыков, который пока не получил широкого распространения. Преодоление этого пробела в знаниях имеет важное значение для широкого внедрения.
• Интеграция с существующими рабочими процессами: Интеграция квантовых вычислений в существующие процессы разработки лекарств требует тщательного планирования, чтобы обеспечить плавный переход.

Применение программного обеспечения для квантовых вычислений при открытии лекарств

• Молекулярное моделирование с помощью квантовых вычислений: Квантовые компьютеры могут моделировать молекулярные взаимодействия и свойства более точно, чем классические компьютеры. Эта возможность позволяет исследователям моделировать взаимодействия лекарственного средства с мишенью с более высокой точностью, что приводит к более эффективной идентификации потенциальных кандидатов на лекарства.
• Виртуальный скрининг с помощью квантовых вычислений: Квантовые вычисления могут улучшить методы виртуального скрининга, быстро оценивая аффинность связывания между молекулами лекарства и целевыми белками. Это может значительно ускорить выявление потенциальных кандидатов на лекарства.
• Проблемы оптимизации квантовых вычислений: Открытие лекарств включает в себя решение сложных задач оптимизации, таких как определение наилучшей молекулярной структуры лекарства. Квантовые компьютеры превосходно решают такие проблемы, что может упростить процесс разработки лекарств.

Будущая перспектива квантовых вычислительных технологий

Квантовые вычисления обещают изменить процесс открытия лекарств, обеспечивая более быстрое и точное моделирование и вычисления. Несмотря на то, что проблемы остаются, продолжающиеся достижения в области квантового оборудования и программного обеспечения открывают путь для практических приложений в этой важной области. Поскольку исследователи и промышленность сотрудничают, чтобы использовать возможности квантовых вычислений, мы вскоре можем стать свидетелями революционных открытий и инноваций, которые могут изменить ситуацию в разработке лекарств к лучшему.

Подробную информацию об этой области можно найти в нашем отчете о рынке квантовых вычислений.