新药在用于患者之前必须确保安全，因此全球每年都会对数百万只动物进行药物试验，以发现可能的风险和副作用。但研究表明，心脏计算机模拟有望改善患者用药的开发，并减少动物试验的需求。
迄今为止，动物试验一直是检验新药最准确、可靠的方法，但它成本高、耗时长，而且——对一些人而言——极具争议。
此外，由于动物与人类之间存在差异，一些副作用也可能被遗漏。因此，药物试验尤其容易受到这一问题影响，显然需要新的试验方法，以开发更好、更安全的药物。
人类与其他动物
药物开发每年都会使用多种动物，包括大鼠、小鼠、兔子、豚鼠、狗和猪，以预测药物可能对人类心脏造成的副作用。
尽管基础生物学相似，但患者服药后，动物细胞与人体细胞之间的细微差异会被放大。研究表明，这意味着对患者风险的预测准确率仅约为（75%至85%），而且还会导致药物退出市场，原因是存在心血管安全问题。
不过，如今已经可以在“虚拟人体”中测试新的心脏药物。我们最近的研究在牛津大学计算机科学系开展，研究表明，代表人类心脏细胞的计算模型在预测药物不良反应方面比动物模型准确率更高（89-96%），例如危险的心律失常——此时心跳会变得不规则，甚至可能停止。
研究表明，人类计算模型还能带来其他益处：减少药物测试早期阶段的动物实验；提高药物安全性，从而降低临床试验期间患者面临的风险；并加快为急需医疗护理的患者开发药物。
心脏计算机模型
英国生物学家丹尼斯·诺布尔于1960年首次开始试验牛津的心脏计算机模型。此后，这项技术不断发展，如今已可应用于工业和临床环境。
得益于人体实验数据，如今已有不同尺度的人体计算机模型，从单个细胞到完整心脏不等，可用于研究人体心脏在健康或患病状态下，以及药物作用下的行为。
除了“一种模型适用于所有人”的方法之外，也出现了新的基于人群的方法。每个人都不相同，有些药物只会对部分人群产生有害副作用，例如携带特定基因突变或患有某种疾病的人。
这项研究由计算心血管科学团队开展，结果表明，在预测药物对人体心脏造成的副作用方面，人体心脏细胞计算机模型比动物实验更准确。这项研究获得了一项国际奖项，因为它有望取代实验室中的动物试验。
我们将这项技术整合到一款名为Virtual Assay的软件中，非专业人士也能轻松使用它进行建模和模拟。
这款软件为 Microsoft Windows 提供了简单的用户界面，可根据人体数据构建具有特定属性的健康心脏细胞对照群体。随后可用它开展计算机模拟的药物试验，即所谓的计算机模拟（in silico）试验，并分析结果。整个过程非常快：使用现代笔记本电脑，在由100个人体心脏细胞模型组成的群体中测试一种药物，用时不到五分钟。
多家制药公司已经在使用和评估 Virtual Assay。该软件可供使用，提供免费的学术许可，临床医生和制药公司均可使用。
这项研究是更广泛推动药物安全测试采用计算机模型的一部分，其中包括综合体外促心律失常试验倡议，该倡议由美国食品药品监督管理局和其他组织推动。
拓展计算机科学的边界
心脏细胞模拟只需几分钟即可运行，但对整个心脏进行三维计算机建模仍需要大量算力。例如，在一台拥有近1,000个处理器的超级计算机上，模拟一次心跳约需三小时。
我们目前正在开展心脏三维模拟，以更大规模地研究药物对心脏的安全性和疗效。这包括探索疾病状态，例如急性缺血——即心脏周围的一条动脉血流受阻。这项研究也是欧洲 CompBioMed 项目的一部分，该项目旨在为整个人体构建计算机模型，打造一个虚拟人体。
通过汇集学术界、制药行业和监管机构的力量，我们希望加快采用基于人体的计算机模拟方法，评估心脏药物的安全性和疗效。
计算机模拟比动物实验更快、更便宜且有效，并将在不久后于药物开发早期阶段发挥重要作用。
