La industria farmacéutica se ha acostumbrado a invertir miles de millones de dólares en el lanzamiento de medicamentos al mercado, solo para ver que el 90 % fallan incluso antes de los ensayos clínicos.
El problema es, y siempre ha sido, que simplemente no hay suficiente potencia de procesamiento en el mundo para evaluar con precisión las propiedades de todas las moléculas posibles, ni para respaldar los amplios esfuerzos experimentales que se necesitan en el descubrimiento de fármacos.
“Puede haber más compuestos farmacológicos potenciales que átomos en el universo”, dijo Patrick Lorton, director de Tecnología de Schrödinger, la empresa de New York que desarrolló una plataforma de software basada en la física y diseñada para modelar y calcular las propiedades de moléculas nuevas para la industria farmacéutica y de materiales.
“Si miras 1000 millones de moléculas y dices que no hay una buena droga aquí, es lo mismo que mirar una gota de agua del océano y decir que los peces no existen”, dijo.
Schrödinger acaba de culminar una oferta pública de venta exitosa a principios de este año. Ha dedicado décadas a refinar algoritmos computacionales para calcular con precisión propiedades importantes de las moléculas. La compañía utiliza las GPU de NVIDIA para generar y evaluar petabytes de datos que permiten el descubrimiento de fármacos, lo cual es una mejora enorme en comparación con el proceso tradicional de trabajo lento y costoso que se lleva a cabo en los laboratorios.
La compañía trabaja con las 20 compañías biofarmacéuticas más grandes del mundo, varias de las cuales utilizan la plataforma de Schrödinger de forma estándar como un componente clave de la investigación preclínica.
La pandemia de COVID-19 resalta la necesidad de contar con un proceso de descubrimiento de fármacos más eficiente. Con ese fin, la compañía se ha unido a la alianza global COVID R & D para ofrecer recursos y colaborar. Recientemente, Google Cloud también ha respaldado esta alianza, donando más de 16 millones de horas de las GPU de NVIDIA para buscar una cura.
“Esperamos desarrollar una terapia antiviral para el SARS-CoV-2, el virus que causa COVID-19, a tiempo para tener tratamientos disponibles para enfrentar las próximas oleadas de la pandemia”, dijo Lorton.
Simulación Avanzada de Software
Durante mucho tiempo, la industria farmacéutica ha dependido de procesos físicos que requieren mucho trabajo manual para encontrar nuevos remedios. Esto le permitió desarrollar muchos remedios importantes en los últimos 50 años, pero solo a través de un enfoque laborioso de prueba y error, dijo Lorton.
Realiza la comparación con los fabricantes de aviones, que anteriormente tallaban diseños de aviones de madera balsa y probaban su coeficiente de resistencia en túneles de viento. Ahora confían en un software de simulación avanzado que reduce el tiempo y los recursos necesarios para probar los diseños.
La plataforma de descubrimiento de fármacos de Schrödinger ha revolucionado la industria farmacéutica, que sigue usando tradicionalmente el equivalente al modelo de madera balsa.
“Estamos tratando de hacer que el descubrimiento preclínico de medicamentos sea más eficiente”, dijo Lorton. “Esto permitirá a la industria tratar más enfermedades y ayudar a más pacientes.”
Explorar un Espacio Nuevo
Durante más de una década, todas las principales compañías farmacéuticas han estado utilizando el software de Schrödinger, que puede realizar simulaciones físicas hasta el nivel atómico. Para cada posible candidato a fármaco, Schrödinger utiliza enfoques computacionales basados en física que se desarrollaron recientemente para calcular hasta 3000 compuestos posibles. Esto requiere hasta 12 000 horas de GPU en computadoras de alto rendimiento.
Una vez que se completan los cálculos basados en la física para el conjunto original de compuestos seleccionados al azar, se aplica una capa de aprendizaje activo, que hace proyecciones sobre la probable eficacia de mil millones de moléculas.
Lorton dijo que actualmente se necesitan cuatro o cinco iteraciones para obtener un algoritmo de machine learning lo suficientemente preciso como para ser predictivo, aunque incluso estas proyecciones siempre se verifican dos veces con los métodos basados en la física antes de sintetizar moléculas en el laboratorio.
Este enfoque basado en software produce resultados mucho más rápidos, aunque eso es solo una parte del valor. También amplía enormemente el alcance del análisis, ya que evalúa datos que los seres humanos nunca habrían tenido tiempo de abordar.
“El aspecto más atractivo es la exploración de un nuevo espacio”, dijo Lorton. “No solo es más barato. Es más barato y descubre cosas que de otro modo no se habrían explorado.”
Por esa razón, el trabajo de Schrödinger se centra en el modelado y la simulación, y en utilizar los últimos recursos de procesamiento de alto rendimiento para expandir sus capacidades de descubrimiento.
Bayer Aporta Valor a la Plataforma
Un cliente que ha estado utilizando la tecnología de Schrödinger es Bayer AG. El software Schrödinger ayudó a los científicos de Bayer a encontrar estructuras líderes para varios proyectos de descubrimiento de fármacos, lo que contribuye en definitiva a detectar los candidatos de desarrollo clínico.
Recientemente, ambas compañías acordaron desarrollar conjuntamente una nueva plataforma de descubrimiento de fármacos para acelerar el proceso de estimación de la afinidad de unión, así como otras propiedades y la capacidad de sintetización de moléculas pequeñas.
Bayer aún no puede compartir ningún resultado específico que la plataforma haya entregado, pero el Dr. Alexander Hillisch, jefe de diseño de computacional de medicamentos de la compañía, dijo que ha tenido un impacto en varios proyectos activos.
El Dr. Hillisch dijo que se espera que el software acelere el trabajo y amplíe realmente las capacidades de descubrimiento de fármacos de Bayer. Como resultado, cree que es hora de que las GPU de NVIDIA obtengan mucho más reconocimiento dentro de la industria.
En un proyecto típico de descubrimiento de fármacos, Bayer evalúa las afinidades de unión y otras propiedades de las moléculas, como la absorción y la estabilidad metabólica. Con el software Schrödinger y las GPU de NVIDIA, “estamos enumerando millones a miles de millones de compuestos virtuales y, por lo tanto, estamos analizando el espacio químico de manera mucho más amplia que antes, para identificar nuevos compuestos líderes con propiedades favorables», dijo.
El Dr. Hillisch también sugirió que pronto se puede juzgar el impacto de los enfoques holísticos para el descubrimiento digital de fármacos. “Esperamos saber cuán sustancial será el impacto de este enfoque científico en el futuro cercano”, dijo.
La plataforma de diseño de medicamentos también formará parte del trabajo de Bayer sobre COVID-19. En 2006, la compañía creó una empresa independiente dedicada a la investigación antiviral, pero recientemente se unió a una iniciativa de investigación europea sobre el coronavirus para ayudar a identificar nuevos compuestos que podrían proporcionar un tratamiento futuro.
Tareas a Medida para las GPU
Dado el alcance de la tarea de Schrödinger, Lorton dejó en claro que los avances de NVIDIA en el desarrollo de una plataforma de procesamiento de pila completa para HPC e IA que amplía los límites del rendimiento han sido tan importantes para los logros de su empresa como su laborioso trabajo.
“Podría tomar miles, o decenas de miles, o en algunos casos locos, incluso cientos de miles de dólares para sintetizar y obtener la afinidad de unión de una molécula de droga”, dijo. “Podemos hacerlo por unos pocos dólares con los costos de procesamiento de una GPU”.
Lorton dijo que si la compañía hubiera comenzado uno de sus cálculos físicos en una sola CPU cuando se fundó en 1990, habría tomado hasta hoy llegar a las conclusiones que una sola GPU puede entregar ahora en menos de una hora.
Incluso con los muchos avances en la velocidad de procesamiento de las GPU de NVIDIA, los proyectos de descubrimiento de Schrödinger requieren miles de GPU NVIDIA T4 y V100 Tensor Cores todos los días, tanto en las instalaciones como en Google Cloud Platform. Es el siguiente nivel de procesamiento, combinado con una inversión continua en la ciencia subyacente, que la compañía espera que cambie la forma en que se realiza todo descubrimiento de medicamentos.