Development of an in-silico platform to predict drug-induced cardiotoxicity

The idea underlying the entire manuscript is conceived as a journey through the field of drug-induced cardiotoxicity risk assessment. The first chapter provides the mathematical and conceptual foundations of cardiac electrophysiology, enabling the reader to understand the theoretical framework upon which the subsequent sections are built. Specifically, in order to provide any reader with the necessary background to fully understand the adopted methodologies, each chapter includes detailed descriptions of the applied methods within its introductory or methods section. The second chapter arises from the need to address a current gap in the literature regarding the methodologies adopted to evaluate drug-induced pro-arrhythmic risk. Numerous formulas and approaches exist to assess arrhythmogenic potential, and substantial variability characterizes the selection of parameters and associated thresholds. This heterogeneity generates not only inconsistent results but also variability in their interpretation, introducing non-negligible bias. The objective of this chapter is therefore to promote methodological standardization in the evaluation of drug-induced pro-arrhythmic risk, with the aim of minimizing bias and variability in drug classification. Continuing this journey, the third chapter serves as a bridge between isolated-cell (action potential–driven) simulations and tissue-level simulations evaluating the ECG. The doctoral work included a collaboration of at least six months, later extended to one year, with the Italian Medicines Agency (AIFA), partially conducted on-site in Rome. During this period, the focus of the PhD project shifted significantly: following guidance from the regulatory authority to align with current regulatory frameworks, simulations centered on action potentials and their associated biomarkers were replaced by ECG-based analyses and QT-interval evaluation. Chapter 4 describes the innovative tissue structure of the model, incorporating physiological interstitial fibrosis modeled as a passive element in addition to the classical sub-endocardial, mid-myocardial, and sub-epicardial layers. Using this enhanced computational representation of cardiac structure, three drugs were tested and analyzed. Since QT-interval prolongation is currently the only biomarker with established regulatory relevance for assessing arrhythmogenic risk, Chapter 5 focuses on the quantification of uncertainties associated with QT measurement, identifying both primary and secondary sources of variability when QT is used as a biomarker. Concluding this journey, Chapter 6 integrates all previously developed elements into the construction of an in silico platform capable of evaluating drug-induced arrhythmogenic risk in Phase I clinical trials, that is, the stage of human experimentation in which volunteers are still healthy subjects. At this stage, 67 drugs across heterogeneous pharmacological classes have been tested. This platform has a dual significance. First, in line with the 3Rs principles (Replacement, Reduction, Refinement), it may contribute to partially reducing reliance on animal testing. More importantly, it provides a valuable tool for evaluating the arrhythmogenic potential of oncologic drugs, which, for ethical reasons, cannot be administered to healthy volunteers. Such drugs are intrinsically toxic and considered appropriate only for cancer patients, for whom the risk–benefit ratio is favorable, an assumption that does not hold in healthy individuals. This research finally ended in the filing of a patent, whose technical and administrative details are described extensively in Chapter 6 and in the personal notes.

L'idea alla base dell'intero manoscritto è concepita come un percorso attraverso il campo della valutazione del rischio di cardiotossicità indotta da farmaci. Il primo capitolo fornisce le basi matematiche e concettuali dell'elettrofisiologia cardiaca, consentendo al lettore di comprendere il quadro teorico su cui si fondano le sezioni successive. In particolare, al fine di fornire a qualsiasi lettore il background necessario per comprendere pienamente le metodologie adottate, ogni capitolo include una descrizione dettagliata dei metodi applicati all'interno della sezione introduttiva o metodologica. Il secondo capitolo nasce dall'esigenza di affrontare una lacuna attualmente presente nella letteratura riguardante le metodologie utilizzate per valutare il rischio pro-aritmico indotto da farmaci. Esistono numerose formule e approcci per stimare il potenziale aritmogenico e una notevole variabilità caratterizza la scelta dei parametri e delle relative soglie. Tale eterogeneità genera non solo risultati inconsistenti, ma anche differenze nella loro interpretazione, introducendo bias non trascurabili. L'obiettivo di questo capitolo è pertanto promuovere una standardizzazione metodologica nella valutazione del rischio pro-aritmico indotto da farmaci, con lo scopo di ridurre bias e variabilità nella classificazione dei farmaci. Proseguendo in questo percorso, il terzo capitolo rappresenta un ponte tra simulazioni a cellula isolata (basate sui potenziali d'azione) e simulazioni a livello di tessuto volte alla valutazione dell'ECG. Il lavoro di dottorato ha incluso una collaborazione di almeno sei mesi, successivamente estesa a un anno, con l'Agenzia Italiana del Farmaco (AIFA), parzialmente svolta presso la sede di Roma. Durante questo periodo l'orientamento del progetto di dottorato è cambiato in modo significativo: seguendo le indicazioni dell'autorità regolatoria e per allinearsi agli attuali framework normativi, le simulazioni basate sui potenziali d'azione e sui biomarcatori cellulari associati sono state affiancate e in parte sostituite da analisi basate sull'ECG e sulla valutazione dell'intervallo QT. Il Capitolo 4 descrive l'innovativa struttura tissutale del modello, che incorpora la fibrosi interstiziale fisiologica modellata come elemento passivo, oltre ai classici strati sub-endocardico, medio-miocardico e sub-epicardico. Utilizzando questa rappresentazione computazionale migliorata della struttura cardiaca, sono stati testati e analizzati tre farmaci. Poiché il prolungamento dell'intervallo QT rappresenta attualmente l'unico biomarcatore con rilevanza regolatoria consolidata per la valutazione del rischio aritmogenico, il Capitolo 5 si concentra sulla quantificazione delle incertezze associate alla misurazione del QT, identificando sia le principali sia le secondarie fonti di variabilità quando il QT viene utilizzato come biomarcatore. Concludendo questo percorso, il Capitolo 6 integra tutti gli elementi precedentemente sviluppati nella costruzione di una piattaforma in silico in grado di valutare il rischio aritmogenico indotto da farmaci negli studi clinici di Fase I, ovvero la fase di sperimentazione sull'uomo in cui i volontari sono ancora soggetti sani. In questa fase sono stati testati 67 farmaci appartenenti a diverse classi farmacologiche. Questa piattaforma presenta una duplice rilevanza. In primo luogo, in linea con i principi delle 3Rs (Replacement, Reduction, Refinement), essa può contribuire a ridurre parzialmente il ricorso alla sperimentazione animale. Ancora più importante, fornisce uno strumento utile per valutare il potenziale aritmogenico di farmaci oncologici che, per ragioni etiche, non possono essere somministrati a volontari sani. Tali farmaci sono intrinsecamente tossici e sono considerati appropriati esclusivamente per pazienti oncologici, per i quali il rapporto rischio-beneficio è favorevole, condizione che non è invece valida per soggetti sani. Questa attività di ricerca si è infine conclusa con il deposito di un brevetto, i cui dettagli tecnici e amministrativi sono descritti estensivamente nel Capitolo 6 e nelle note personali.