Trí tuệ nhân tạo giúp phát hiện thuốc chống vi khuẩn gây nhiễm trùng kháng kháng sinh

[Hanna]

Nhóm nghiên cứu từ MIT và Đại học McMaster Mỹ đã phát triển một mô hình AI mới, cho phép phát hiện một loại thuốc, có khả năng điều trị vi khuẩn gây nhiễm trùng kháng kháng sinh bệnh viện.Vi khuẩn gram âm Acinetobacter baumannii gây nhiễm trùng trong bệnh viện thường có biểu hiện đa kháng thuốc. Sử dụng những kỹ thuật sàng lọc tiêu chuẩn rất khó để tìm được loại kháng sinh mới điều trị A. baumannii.

Nhưng hiện nay, những kỹ thuật máy học đã cho phép nhanh chóng khám phá không gian các hợp chất hóa học, tăng khả năng phát hiện các hợp chất kháng khuẩn mới.

Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học McMaster, Mỹ sử dụng hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) đã phát hiện được một loại kháng sinh mới có khả năng tiêu diệt một loại vi khuẩn cụ thể, thường gây ra các bệnh nhiễm trùng kháng lại quá trình điều trị. Nếu được cung cấp để điều trị cho bệnh nhân, loại thuốc mới có thể hỗ trợ bác sĩ điều trị trong cuộc chiến chống lại Acinetobacter baumannii.

Các nhà khoa học của hai tổ chức nghiên cứu đã sử dụng thuật toán máy học nhóm tự xây dựng để tìm kiếm và đánh giá, cấu trúc phân tử hóa học nào có thể cản trở sự phát triển của bệnh A. baumannii để tìm ra loại thuốc mới từ thư viện với khoảng 7.000 hợp chất có thể được dùng làm thuốc.

James Collins, GS Khoa học và Kỹ thuật Y tế Termeer tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế (IMES) và Khoa Kỹ thuật Sinh học thuộc MIT cho biết: “Phát hiện này hỗ trợ thêm cho một tiền đề, AI có thể tăng tốc và mở rộng đáng kể quy trình tìm kiếm kháng sinh mới của chúng ta. Tôi rất vui vì nghiên cứu này cho thấy chúng ta có thể sử dụng AI để giúp chống lại các mầm bệnh có vấn đề kháng kháng sinh như A. baumannii”.

Trong một bài báo mô tả Giới thiệu công nghệ ban đầu, các nhà khoa học tiến hành đào tạo một hệ thống máy học nhằm đạt được khả năng phát hiện ra những hợp chất hóa học có thể ngăn vi khuẩn E. coli phát triển. Thuật toán AI tạo ra một phân tử trên màn hình từ hơn 100 triệu phân tử, phân tử mới được nhóm nghiên cứu đặt tên là salicin nhằm vinh danh hệ thống AI hư cấu từ bộ phim “2001: A Space Odyssey”. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, hóa chất này có thể tiêu diệt một số loài vi khuẩn kháng thuốc ngoài vi khuẩn E. coli.

Stokes cho biết: “Trong bài báo Giới thiệu công nghệ, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, những phương pháp Máy học này có thể thực hiện tốt những nhiệm vụ khám phá kháng sinh phức tạp. Hiện nhóm nghiên cứu chúng tôi chuyển sự quan tâm sang mục tiêu mới mà tôi cho là kẻ thù số 1 của cộng đồng, các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn đa kháng thuốc, đó là Acinetobacter.”

Khởi đầu nghiên cứu, các nhà khoa học đã thử nghiệm khoảng 7.500 hợp chất hóa học, được sử dụng để chế tạo thuốc khác nhau trên bệnh A. baumannii đang phát triển trong đĩa thí nghiệm để xem hợp chất nào có thể cản trở sự phát triển của vi khuẩn nhằm thu thập dữ liệu đào tạo cho mô hình điện toán của nhóm.

Sau đó, nhóm nghiên cứu cung cấp mô hình cấu trúc của từng phân tử hóa chất. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đánh dấu cho mô hình AI, mỗi cấu trúc hóa học có thể ngăn chặn được sự phát triển của vi khuẩn hay không. Những đánh dấu này cho phép thuật toán khám phá các đặc tính hóa học liên quan đến ức chế tăng trưởng của vi khuẩn.

Sau khi mô hình AI được đào tạo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống để kiểm tra một nhóm 6.680 phân tử mới, lấy từ Trung tâm tái sử dụng thuốc của Viện Broad.

Mô hình AI đã thực hiện phân tích các nhóm phân tử mới trong chưa đầy 2 giờ và thu được một vài trăm hợp chất tốt nhất. Để kiểm tra thực tế trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã chọn 240 chất, tập trung vào những chất có cấu trúc khác biệt với cấu trúc của các loại kháng sinh hoặc phân tử đã có sẵn từ tập dữ liệu huấn luyện.

9 loại kháng sinh, trong đó có 1 loại có hiệu lực cao đã được tìm thấy trong những thử nghiệm này. Chất kháng sinh, ban đầu được nghiên cứu như một loại thuốc trị tiểu đường tiềm năng được chứng minh là có hiệu quả cao đối với bệnh A. baumannii nhưng không hiệu quả đối với các loài vi khuẩn khác như Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus và vi khuẩn kháng carbapenem.

Khả năng tiêu diệt “phổ hẹp” khiến cho thuốc kháng sinh mới phát hiện được ưa chuộng vì thuốc làm giảm khả năng vi khuẩn nhanh chóng phát triển tính kháng thuốc. Một lợi ích khác của thuốc là hóa chất không gây hại cho vi khuẩn tốt trong dạ dày con người chống lại các bệnh nhiễm trùng cơ hội như Clostridium difficile.

GS Stokes cho biết: “ Thuốc kháng sinh thường phải được sử dụng một cách có hệ thống, điều cuối cùng có thể xảy ra là gây ra chứng rối loạn vi khuẩn lớn, khiến những bệnh nhân vốn đã ốm yếu dễ bị nhiễm trùng thứ phát.”

Trong thực tế thử nghiệm các nhà nghiên cứu đã cho thấy, loại thuốc này được chứng minh là có hiệu quả trong thí nghiệm điều trị nhiễm trùng vết thương do vi khuẩn A. baumannii gây ra trên chuột. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh bằng các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, loại thuốc mới được tìm thấy có hiệu quả đối với một số chủng A. baumannii kháng thuốc lấy từ bệnh nhân.

Nghiên cứu bổ sung cho thấy, loại thuốc mới tìm thấy giết chết tế bào vi khuẩn bằng phương thức cản trở quá trình vận chuyển lipoprotein mà tế bào sử dụng để di chuyển protein từ bên trong đến màng tế bào . Đặc biệt, LolE, một loại protein liên quan đến hành trình vận chuyển này bị thuốc ức chế.

Việc phát hiện ra hiệu ứng ngăn chặn vận chuyển protein rất cụ thể trong quá trình thuốc tiêu diệt vi khuẩn A. baumannii đã khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên vì tất cả những vi khuẩn gram âm đều biểu hiện enzyme này. Nhóm nghiên cứu suy đoán rằng nguyên nhân có thể là do những thay đổi nhỏ trong quá trình thực hiện chuyển protein này của A. baumannii đã khiến thuốc có tác dụng ngăn chặn vận chuyển lipoprotein.

GS Stokes nói: “Chúng tôi chưa hoàn tất quá trình thu thập dữ liệu thử nghiệm, nhưng chúng tôi cho rằng, nguyên nhân có thể là do vi khuẩn A. baumannii thực hiện việc chuyển đổi lipoprotein hơi khác một chút so với các vi khuẩn Gram âm khác. Chúng tôi tin rằng đó là lý do vì sao chúng ta có được thuốc hoạt động trong phổ hẹp này”.