: 30.11.2024
ИИ подберет персональный антибактериальный «коктейль» из бактериофагов
Рост устойчивости патогенных бактерий к антибиотикам заставляет все чаще задумываться об альтернативных видах лечения. В качестве противомикробных агентов издавна использовали вирусы бактерий – бактериофаги. Сейчас ученые применили машинное обучение, чтобы сделать персонализированный подбор фаготерапии более быстрым и эффективным
Вирусы бактерий – бактериофаги, или просто фаги, – устроены очень просто. Плотно упакованная генетическая программа фагов в виде молекулы ДНК или РНК заключена в белковую оболочку, снабженную инструментами для проникновения вируса в клетку. Фаги используют биосинтетические системы бактерии для производства своего потомства, которое выходит наружу и заражает следующие бактериальные клетки.
Бактериофаги могут быть очень специфичны не только для определенных видов, но и штаммов бактерий. С одной стороны, это служит преимуществом по сравнению с антибиотиками: терапевтические препараты фагов не вредят нормальной микрофлоре организма. С другой стороны, фаготерапия оказывается эффективной лишь в случае, если возбудитель инфекции известен и против него имеется специфичный бактериофаг.
Вскоре после открытия фагов в начале прошлого века их пытались, и зачастую очень успешно, использовать для лечения бактериальных инфекций. Но когда появились антибиотики, от фаготерапии практически отказались. И хотя производство подобных препаратов не прекращалось, и в первую очередь в СССР, всерьез про них вспомнили пару десятилетий назад, когда в полный рост встала проблема устойчивости бактерий к антибиотикам. При этом у фаготерапии есть свои недостатки: невозможность стандартизации и дороговизна индивидуального подхода.
Институт Пастера в Париже – один из мировых лидеров в изучении инфекционных болезней и колыбель фаговой терапии. Сейчас французские ученые разработали и обучили на наборе данных модель искусственного интеллекта, способную производить отбор фагов на основе генома бактерий-мишеней. Таким образом они создали эффективный инструмент для персонализированной фаготерапии, тогда как уже имеющиеся подобные алгоритмы способны определить лишь какие бактерии может инфицировать конкретный фаг.
Чтобы разработать алгоритм, способный предсказывать взаимодействие между любым штаммом кишечной палочки (Escherichia coli) и любым фагом, ученые сформировали обучающий набор данных. Для этого они собрали коллекции полностью секвенированных и охарактеризованных геномов 403 штаммов этой бактерии и 96 фагов. А затем протестировали в культуре все возможные комбинации фагов и бактерий, чтобы оценить восприимчивость каждого штамма к каждому фагу.
Пытаясь сузить число входных параметров для алгоритма, ученые оценили влияние разных факторов на восприимчивость бактерий к фагам. Оказалось, что способность этих вирусов инфицировать бактерии во многом определяется наличием определенных рецепторов на поверхности бактериальной клетки, которые служат фагам «воротами». А вот влияние различий в механизмах противовирусной защиты бактерий невелико. Поэтому в основу алгоритма лег анализ областей бактериального генома, участвующих в кодировании мембранных рецепторов.
Эффективность нового инструмента была оценена «в пробирке» с использованием тестовой коллекции из 100 других штаммов кишечной палочки, которые были выделены от больных с пневмонией, находящихся на искусственной вентиляции легких. При проведении фаготерапии обычно используют «коктейль» из нескольких потенциально подходящих фагов. Сейчас комбинации из трех фагов для каждого бактериального изолята подбирал ИИ на основе геномных данных бактерий, и такие фаговые коктейли оказались эффективнее традиционных.
Трудностей с внедрением нового метода в клиническую практику не ожидается, при этом он может существенно упростить процедуру отбора фагов и повысить эффективность персонализированной фаготерапии. Правда, пока только против патогенной кишечной палочки. Чтобы расширить сферу его применения, нужно провести большую аналогичную работу по созданию обучающих наборов данных и обучению алгоритмов.
Публикации по теме:
Бактериофаги: 100 лет на службе человечеству
Под знаком бактериофага: Париж – Тбилиси
Фаги атакуют. Отечественная история производства и применения бактериофагов
Бактериофаги – враги наших врагов
Вирусы и бактерии – великое противостояние
Фото: https://www.flickr.com
: 30.11.2024 
