Nové cíle antibiotiky IBD – a AI předpověděla, jak to bude fungovat, než to dokážou vědci

Vědci na McMaster University a Massachusetts Institute of Technology (MIT) provedli dva vědecké průlomy najednou: nejen objevili zcela nové antibiotikum, které se zaměřuje na zánětlivé onemocnění střev (IBD), ale také úspěšně použili nový typ AI, aby přesně předpověděl, jak přesně lék funguje. Podle jejich znalostí je to první první pro AI.

Podrobně v časopise Přírodní mikrobiologieObjev odhaluje slibnou novou možnost léčby pro miliony lidí postižených Crohnovou chorobou a dalšími souvisejícími podmínkami a zároveň ukazuje důležité nové aplikace pro AI v výzkum objevování drog.

„Tato práce ukazuje, že stále škrábáme povrch, pokud jde o objev drog vedeného AI,“ říká Jon Stokes, docent na nové studii McMaster’s Department of Biochemistry and Biomedical Sciences a hlavní vyšetřovatel.

„Vývoj našeho nového léku, který je navržen tak, aby se zaměřil na IBD, byl díky spolupráci mezi lidmi a generativní AI rychle sledován.“

Antibiotikum pro IBD

Většina antibiotik používaných na klinikách jsou dnes „širokospektrální“ léky, což znamená, že kromě těch, které způsobují onemocnění, vyhlazují dobré bakterie-„jsou to nukes,“ vysvětluje Stokes.

To může vytvářet příležitosti pro invazivní a drogové druhy bakterií, jako je E. coli, k nastěhování a kolonizaci střev, které mohou zhoršit podmínky jako Crohnovy.

Enterololin, nové antibiotikum objevené v McMaster, je však „úzkým spektrálním“ lékem, což znamená, že mikrobiom šetří a útočí pouze na specifickou skupinu chyb způsobujících onemocnění-v tomto případě rodina bakterií zvaná Enterobacteriaceae, která se stane, že zahrnuje E. coli.

To znamená, že nejen zabíjí E. coli, ale také snižuje příležitost pro kmeny odolné vůči drogám, aby se kolonizovaly střeva na prvním místě.

„Tento nový lék je opravdu slibným kandidátem na léčbu milionů pacientů žijících s IBD,“ říká Stokes. „V současné době nemáme na tyto podmínky žádný lék, takže vývoj něčeho, co by mohlo smysluplně zmírnit příznaky, může lidem pomoci zažít mnohem vyšší kvalitu života.“

Jak fungují drogy? Jen se zeptejte ai

K dnešnímu dni byl AI využíván jako nástroj pro předpovídání, které molekuly mohou mít terapeutický potenciál, ale tato studie ji použila k popisu toho, co vědci nazývají „mechanismus účinku“ (MOA) – nebo jak drogové napadení onemocnění.

„AI urychlila míru, jakou můžeme prozkoumat chemický prostor pro nové kandidáty na léky, ale až dosud to udělalo jen málo pro zmírnění hlavního úzkého místa v rozvoji léčiv, což je pochopení toho, co tito noví kandidáti na drogy skutečně dělají,“ vysvětluje Stokes.

Studie MOA, říká, jsou nezbytné pro Vývoj léčiv. Pomáhají vědcům potvrdit bezpečnost, optimalizovat dávkování, provádět úpravy ke zlepšení účinnosti a někdy dokonce odhalit zcela nové cíle léčiva. Pomáhají také regulačním orgánům určit, zda je daný kandidát na drogy vhodný pro použití u lidí.

Ale jsou také notoricky drahé – a pomalé.

Stokes říká, že důkladná studie MOA může trvat až dva roky a stát kolem 2 milionů dolarů; Pomocí AI však jeho skupina Enterololin za pouhých šest měsíců a za pouhých 60 000 $.

Po objevení nového antibiotiku jeho laboratoře se Stokes spojil s kolegy v počítačové vědě MIT a laboratoři umělé inteligence (CSAIL), aby zjistil, zda by některá z jejich vznikajících platforem pro strojové učení mohla pomoci rychle sledovat jeho nadcházející studie MOA.

Za pouhých 100 sekund dostal predikci: jeho nový lék zaútočil na mikroskopický proteinový komplex s názvem LOLCDE, což je nezbytné pro přežití určitých bakterií.

„Hodně využití AI při objevování léků bylo o vyhledávání chemického prostoru a identifikaci nových molekul, které by mohly být aktivní,“ říká Regina Barzilay, profesorka na MIT’s School of Engineering a vývojář Diffock, model AI, který předpověděl.

„Ukazujeme zde, že AI může také poskytnout mechanická vysvětlení, která jsou kritická pro pohyb molekuly prostřednictvím vývojového potrubí.“

Barzilay byl nedávno uveden mezi nejvlivnějšími lidmi časopisu v AI.

Stokes zdůrazňuje, že zatímco předpověď byla zajímavá, bylo to jen to – předpověď. Stále by musel provádět tradiční studie MOA v laboratoři.

„V současné době nemůžeme jen předpokládat, že tyto modely AI jsou naprosto správné, ale představa, že by mohlo být správné, vyřadilo hádání z našich dalších kroků,“ vysvětluje Stokes, člen Institutu pro výzkum infekčních chorob v McMasteru.

A tak jeho tým, vedl z velké části postgraduálním studentem McMaster Denise Catacutanovou, začal zkoumat MOA Enterololin a jako výchozí bod používal předpověď MIT.

Během několika měsíců bylo jasné, že AI byla ve skutečnosti správná.

„Udělali jsme všechny naše standardní zpracování MOA, abychom potvrdili predikci-abychom zjistili, zda experimenty zálohují AI, a oni ano,“ říká Catacutan, Ph.D. Kandidát v laboratoři Stokes. „Tímto způsobem se oholil rok a půl z naší normální časové osy.“

Díky tomu Stokes nyní úspěšně využil AI k objevování životaschopných kandidátů na drogy, k rychlému sledování globálního úsilí o objevování drog a k určení, jak fungují nové drogy. Ale zeptejte se ho a on vám řekne, že – je to tak, jak to je – je pouze prostředkem k cíli.

„Rezistence na drogy a náš nedostatek nových drog je netěsná faucet,“ říká. „Můžete to nechat na chvíli, ale nakonec budete mít velký problém. AI je můj klíč – je to nástroj pro opravu úniku, než se stane povodeň, a to je opravdu.

Spin-out společnost pro pacienty Stokes Stoked Bio již licencovala Enterololin z McMaster a v současné době ji optimalizuje pro lidské použití.

Společnost také testuje modifikované verze nového antibiotiky proti jiným bakteriím rezistentním na léky, jako je Klebsiella, a časné výsledky jsou slibné.

„Identifikace Enterololinu podtrhuje pozoruhodnou vědu, která se objevuje v McMaster,“ říká Jeff Skinner, generální ředitel společnosti Stoked Bio. „Jsme hrdí na to, že můžeme s univerzitou spolupracovat na převodu tohoto průlomu do skutečných terapií pro pacienty.“

Pokud vše půjde dobře, Stokes říká, že nový lék bude připraven na lidské pokusy do tří let – časová osa jeho výzkumný tým se touží setkat.

„Práce na něčem, jako je toto, je neskutečná,“ říká Catacutan. „Skutečnost, že něco, co jsme objevili v laboratoři, může jednou pomoci pacientům, je opravdu úžasná a opravdu posiluje význam naší práce.“