Pri výrobe kozmetických prípravkov a liekov, ktoré prichádzajú do styku s pokožkou je nevyhnutné zabezpečiť, aby boli tieto výrobky bezpečné a neohrozili zdravie ľudí. Jedným z kľúčových faktorov je testovanie dermálnej toxicity chemických látok.
Testovanie dermálnej toxicity nám pomáha určiť, akým spôsobom, a v akom rozsahu sa jednotlivé chemické látky vstrebávajú kožou, a aké môžu mať účinky na zdravie. Tieto testy sú dôležité pre posudzovanie bezpečnosti kozmetických prípravkov a liekov, ktoré sa aplikujú na kožu. Ak by boli látky obsiahnuté v liečivách a kozmetických prípravkoch pre človeka nebezpečné, mohli by spôsobiť kožné podráždenie, alergické reakcie alebo dokonca otravy.
Súčasné metódy testovania dermálnej toxicity sú spojené s vykonávaním testov na laboratórnych zvieratách (in vivo) a tkanivových, alebo bunkových kultúrach (in vitro). Tieto metódy buď predstavujú etický problém, alebo sú finančne a časovo náročné. Európska legislatíva už niekoľko rokov nepovoľuje testovanie kozmetiky na zvieratách, avšak pre štáty Ázie a USA sú tieto testy stále bežné.
Alternatívnou metódou k týmto testom je in sillico experiment (experiment vykonaný počítačovou simuláciou) s použitím metód QSAR založených na metódach strojového učenia. Náš projekt sa zameriava práve na túto oblasť.
O riešení
V rámci projektu DERMATOX sme vyvinuli prediktívny model na predpovedanie dermálnej toxicity chemickej látky pomocou metódy QSAR, ktorý bol navrhnutý v súlade s usmerneniami OECD. Tento model využíva údaje z experimentov na 3D modelových tkanivách a bunkových kultúrach. Pre dosiahnutie, čo najlepších výsledkov sme porovnávali rôzne metódy a prístupy strojového učenia, ako napríklad klasifikátor K-Means, KNN, lineárnu a logistickú regresiu, klasifikátor Random Forest a podobne.
Finálne riešenie je postavené na predikčnom modeli XGBoost a v súčasnosti je naše riešenie možno považovať za unikátne, keďže je schopné predikovať v závislosti od štyroch parametrov: podľa testovacích metód (in vitro/in vivo) a podľa sledovaného efektu na koži (korozivita/iritácia). Naše modely boli primárne vyhodnocované na základe štyroch metrík (Accuracy, Precision, Sensitivity, Specificity) a môžeme sa pochváliť dosiahnutím veľmi vysokých hodnôt, ktoré sú znázornené aj v tabuľke nižšie.
Výsledky s optimalizovanými hyperparametrami a počtom použitých deskriptorov (No. of Desc) pre náš model
Riešenie je sprostredkované používateľovi prostredníctvom offline desktopovej aplikácie. Vstupom pre našu aplikáciu je používateľom zadaný kód SMILES, čo je formát umožňujúci zápis chemickej štruktúry. Ďalším vstupným parametrom je metóda testu: in vivo alebo in vitro. Výstupom je výsledok predikcie, a teda či je daná látka korozívna, alebo môže spôsobovať iritáciu na koži. Aplikácia taktiež umožňuje zobraziť štruktúru látky a vypočítať vybrané deskriptory.
Určite je dôležité spomenúť, že naša aplikácia poskytuje aj vysvetlenie toxicity, pričom zobrazuje molekulárnu štruktúru s toxickými a netoxickými časťami danej látky. Implementovaná vysvetliteľnosť je dôležitým ukazovateľom pri analýze štruktúry zlúčeniny z hľadiska toxicity. Na záver je možné výsledky z predikcie exportovať priamo z aplikácie do PDF súboru pre potreby ďalšej interpretácie.
Naša aplikácia je primárne cielená na vedeckých pracovníkov, čomu bol aj prispôsobený návrh a výsledné implementované riešenie. Výsledky projektu DERMATOX majú potenciál pomôcť pri vývoji nových kozmetických a farmaceutických produktov, a zvýšiť bezpečnosť ich používania. Riešenie predstavuje významný krok vpred smerom k etickému a efektívnejšiemu testovaniu toxicity chemických látok a zdravotníckych pomôcok pre pokožku.
Náš tím
Projekt vyvíjame ako tím študentov Fakulty Informatiky a Informačných Technológií STU v zložení Bc. Oliver Adler, Bc. Matúš Baran, Bc. Adam Baran-Tomik, Bc. Matúš Beharka, Bc. Pavol Belej, Bc. Lukáš Čižmárik pod pedagogickým vedením Ing. Marty Šoltésovej Prnovej, PhD. v spolupráci s Centrom experimentálnej medicíny SAV. Viac informácií o našom tíme nájdete na tímovom webe.