Модель ИИ дает подсказки о том, как может развиваться вирус и какой иммунный ответ он может вызвать
Эффективные вакцины кардинально изменили ход пандемии COVID-19, предотвратив заболевание, снизив тяжесть течения заболевания и спася миллионы жизней.
Однако спустя пять лет SARS-CoV-2 все еще циркулирует и в процессе этого превращается в новые варианты, для защиты от которых требуются обновленные вакцины.
Однако разработка, производство и распространение новой вакцины требует времени, что поднимает важный вопрос: как ученые могут создавать вакцины против версий вируса, которые еще не появились?
Одним из решений является прогностическая модель искусственного интеллекта под названием EVE-Vax, созданная группой ученых из Гарвардской медицинской школы, Массачусетского консорциума по готовности к патогенам (MassCPR) под руководством HMS и других учреждений.
Новая модель , описанная 8 мая в журнале Immunity , использует эволюционную, биологическую и структурную информацию о вирусе для прогнозирования и проектирования поверхностных белков, которые, вероятно, появятся при мутации патогена. Исследователи успешно применили EVE-Vax к SARS-CoV-2, спроектировав вирусные белки , которые вызывали такие же иммунные реакции, как и фактические белки, которые эволюционировали во время пандемии COVID-19.
Исследование предполагает, что модель предоставляет ценную информацию о будущей эволюции вируса и может быть использована для создания панелей «дизайнерских» белков для оценки будущей защиты вакцин. Исследователи надеются, что модель в конечном итоге поможет ученым разрабатывать более эффективные вакцины для борьбы с вирусными вспышками и пандемиями, вызванными быстро мутирующими вирусами.
«Мы показываем, что если вы можете заранее увидеть, как развивается вирус, вы можете начать создавать вакцины, которые будут соответствовать требованиям завтрашнего дня», — сказал первый автор Нур Юсеф, научный руководитель группы по прогностическому моделированию для разработки вакцин в лаборатории Маркса в HMS.
Эволюция EVE
Более десяти лет назад соавтор исследования Дебора Маркс, профессор системной биологии в Институте Блаватника при HMS, и ее лаборатория начали изучать, можно ли использовать миллионы лет эволюционной генетической информации для прогнозирования структуры и функций белков.
В статье 2021 года исследователи описали модель ИИ, которую они создали на основе этой идеи. Модель, называемая EVE (эволюционная модель эффекта варианта), использует масштабные эволюционные данные по видам, чтобы предсказать, будут ли белки функциональными. При применении к людям EVE смогла интерпретировать варианты генов как доброкачественные или вызывающие заболевания.
По мере развития пандемии COVID-19 Маркс и ее команда адаптировали свою модель для прогнозирования поведения вируса.
Они создали EVEscape , который применил возможности EVE по предсказанию белков к вирусным белкам. В статье 2023 года ученые показали, что если бы EVEscape существовал в начале пандемии COVID-19, он бы предсказал наиболее частые мутации SARS-CoV-2 и выявил бы варианты, вызывающие наибольшую озабоченность, которые с наибольшей вероятностью могли бы вызвать всплеск человеческих инфекций.
Успех EVEscape заставил исследователей задуматься, может ли их модель также предсказывать будущую эволюцию быстро эволюционирующих вирусов, таких как SARS-CoV-2.
Вакцины от таких вирусов обновляются ежегодно, что требует от ученых делать обоснованные предположения за год вперед о том, как будут развиваться вирусные белки. Это может привести к несоответствию между предсказанной версией вируса, использованной для разработки вакцины, и фактической версией, которая в итоге циркулирует. Разрыв между прогнозом и реальностью может привести к тому, что вакцины будут менее эффективными, чем они были бы, если бы версии соответствовали друг другу более точно.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали EVE-Vax — модель, которая прогнозирует и проектирует вирусные белки, которые можно использовать для заблаговременной разработки вакцин.
«Мы хотели проверить, сможем ли мы использовать наши методы для создания совершенно новых белков, которые будут функциональны и будут вызывать такой же иммунный ответ, какой мы наблюдаем в случае с настоящими вирусами», — сказал Юсеф.
Прогнозирование будущих маневров SARS-CoV-2
В своем последнем исследовании ученые использовали EVE-Vax для разработки 83 совершенно новых версий белка «spike» на SARS-CoV-2, который является основным поверхностным белком, используемым вирусом для заражения человеческих клеток. Каждая новая версия белка spike имела различную комбинацию до десяти мутаций.
Чтобы проверить эффект белков, разработанных с помощью ИИ, исследователи объединились с коллегами-экспериментаторами и соавторами: Джереми Любаном, профессором молекулярной медицины в Медицинской школе имени Чана при Массачусетском университете; Джейкобом Лемье, доцентом медицины в Массачусетской больнице общего профиля; и Майклом Симаном, доцентом медицины в Медицинском центре Бет-Израэль-Дьяконесс.
Ученые провели эксперименты в лабораторных чашках Петри, используя безопасные, нереплицирующиеся версии SARS-CoV-2, разработанные для исследования. Эксперименты подтвердили, что вирусы, несущие «дизайнерские» шиповидные белки, инфицировали клетки человека и вызывали иммунные реакции, которые в значительной степени соответствовали реальным иммунным реакциям на вирус в пяти различных временных точках во время пандемии COVID-19.
«Основное понимание здесь заключается в том, что эволюция подсказывает, что могут делать вирус и его белки и что может произойти в будущем», — сказал Маркс.
Наконец, исследователи показали, что они могут легко и дешево сконструировать сотни новых шиповидных белков, которые можно будет легко включить в разработку вакцины против SARS-CoV-2.
«Традиционная разработка вакцин использует всевозможные методы, но никто раньше не использовал этот подход», — сказал Маркс. «EVE-Vax открывает новую область потенциального применения и разработки вакцин».
Например, исследователи показали, что с помощью EVE-Vax они могли предсказать, что будет значительная вероятность ускользания иммунной системы от бустерной вакцины COVID-19 , нацеленной на омикронный вариант, — знание, которое подсказало ученым создать бустерную вакцину по-другому.
«С помощью EVE-Vax мы можем предсказать иммунный ответ , а не только то, какими будут мутации вируса, что более полезно в реальных ситуациях», — сказал Маркс.
В настоящее время команда расширяет область применения EVE-Vax на другие вирусы, включая птичий грипп, который становится все более серьезной проблемой в Соединенных Штатах и во всем мире.
Исследователи отметили, что одним из ключевых преимуществ модели является то, что она может работать с ограниченной информацией, что открывает ее для малоизученных вирусов, таких как Ласса и Нипах, а также для недавно появившихся вирусов.
В конечном итоге команда надеется, что EVE-Vax предоставит ученым важную информацию о различных путях вероятной эволюции вируса, что позволит им разработать вакцины, которые будут защищать от будущих версий патогена.