突破HIV變異困局，AI驅(qū)動(dòng)計(jì)算技術(shù)將疫苗分析周期從數(shù)周縮至數(shù)天

至 2024 年，全球已有超過 4000 萬人被診斷出感染人類免疫缺陷病毒（HIV），這是一種慢性、致命的感染，仍然是全球主要死亡原因之一。

盡管發(fā)現(xiàn)這種病毒已有幾十年，但它仍然繼續(xù)奪走生命并挑戰(zhàn)全球衛(wèi)生系統(tǒng)，部分原因是由于數(shù)據(jù)量巨大，科學(xué)家們無法快速確定哪些實(shí)驗(yàn)性疫苗方法有效。

斯克里普斯研究所的科學(xué)家最近從斯克里普斯艾滋病疫苗開發(fā)聯(lián)盟（CHAVD）獲得 110 萬美元，用于購買高性能計(jì)算設(shè)備，以應(yīng)對(duì)這一全球健康挑戰(zhàn)。

這些設(shè)備將用于通過增強(qiáng)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施、減少數(shù)據(jù)處理瓶頸以及最先進(jìn)的人工智能（AI）技術(shù)，加速更有效的艾滋病疫苗候選物的識(shí)別。對(duì) CHAVD 的支持由美國國立衛(wèi)生研究院提供。

研發(fā)一種有效的艾滋病疫苗仍然極其困難。要發(fā)揮作用，它必須訓(xùn)練免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體——這種能中和超過 90%的人中超過 90%的 HIV 毒株的保護(hù)性蛋白質(zhì)。

換句話說，這是一個(gè)目前沒有哪種疫苗能夠達(dá)到的極高門檻。這一挑戰(zhàn)源于 HIV 的顯著變異能力，它不斷改變形式，使免疫系統(tǒng)難以識(shí)別和消滅病毒。

斯克里普斯研究所團(tuán)隊(duì)希望最終開發(fā)一種能夠適應(yīng)病毒變異且只需單次注射的持久性疫苗。

然而，在目前，布林尼和合作者們旨在開發(fā)一系列能夠適應(yīng)病毒隨時(shí)間變化的疫苗。

為了應(yīng)對(duì)保護(hù)超過 90%的 HIV 毒株的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)需要臨床試驗(yàn)的實(shí)時(shí)反饋——這些數(shù)據(jù)揭示了疫苗的性能，并指導(dǎo)系列中下一版本的疫苗設(shè)計(jì)。

我們正從試錯(cuò)法轉(zhuǎn)向智能預(yù)測(cè)，"安德魯·沃德說，他是整合結(jié)構(gòu)與計(jì)算生物學(xué)系的教授，也是該項(xiàng)目的聯(lián)合主要研究員。" "不再在實(shí)驗(yàn)室中花費(fèi)數(shù)月測(cè)試每個(gè)設(shè)計(jì)想法，我們可以通過計(jì)算篩選數(shù)十萬種可能性，識(shí)別最佳候選者，并將我們的實(shí)驗(yàn)工作集中在最關(guān)鍵的地方。"

用 AI 為科學(xué)加速

沃德、布林尼和他們的實(shí)驗(yàn)室將使用這些資金購買新的 AI 技術(shù)，使斯克里普斯研究所的計(jì)算能力翻倍，并且運(yùn)行速度比現(xiàn)有系統(tǒng)快四到五倍。

這種新的計(jì)算帶寬將使團(tuán)隊(duì)能夠快速分析臨床試驗(yàn)中接受實(shí)驗(yàn)疫苗的人產(chǎn)生的抗體，并以分子級(jí)的精度確定他們是否走在正確的軌道上。

"這個(gè)新資源利用了我們實(shí)驗(yàn)室中科學(xué)家的巨大努力和創(chuàng)造力，我很興奮地看到他們能把這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到多遠(yuǎn)，"沃德說。

當(dāng)疫苗被接種時(shí)，它可以訓(xùn)練免疫系統(tǒng)產(chǎn)生能夠中和廣泛 HIV 毒株的抗體——也稱為廣譜中和抗體廣譜中和抗體 。該團(tuán)隊(duì)將評(píng)估這些疫苗誘導(dǎo)的抗體，同時(shí)測(cè)試多種場(chǎng)景，并模擬它們?cè)诜肿铀缴吓c病毒的相互作用，從而將分析時(shí)間從數(shù)周縮短至數(shù)天。

被鑒定出對(duì)病毒作用效果極佳的抗體被稱為“抗體候選者”，它們構(gòu)成了疫苗的下一迭代版本。這種額外的處理能力還將支持其他斯克里普斯研究所團(tuán)隊(duì)在 HIV 不同方面的研究工作，例如蛋白質(zhì)工程——幫助從多個(gè)角度推動(dòng)發(fā)現(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)將首先使用先前疫苗的歷史臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練 AI 系統(tǒng)，以開發(fā)一個(gè)能夠快速識(shí)別最佳抗體候選者的綜合計(jì)算模型。

在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員通常手動(dòng)篩選數(shù)據(jù)，并運(yùn)用自己的思考來確定哪種抗體可能效果最佳。然而，AI 模型已被證明能夠識(shí)別研究人員最初可能忽視的有希望的候選者。

為了進(jìn)一步開發(fā)這個(gè) AI 框架，該團(tuán)隊(duì)將采用一種名為 StepwiseDesign 的方法，該方法如其名稱所示，模擬免疫系統(tǒng)通過小規(guī)模、優(yōu)化的迭代逐漸學(xué)習(xí)開發(fā)更高效抗體的方式。

該方法已經(jīng)證明非常成功：該團(tuán)隊(duì)使用其 AI 系統(tǒng)分析了約 2,000 名從未感染過 HIV 的人的抗體，尋找可能具有抗病毒潛力的罕見候選者。

他們發(fā)現(xiàn)了一種能夠?qū)嶋H中和 HIV 的抗體——這是首次在任何未感染者中發(fā)現(xiàn)此類抗體。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樗砻饔行┤颂焐鷶y帶廣譜保護(hù)性抗體的遺傳起始材料，即使他們從未接觸過 HIV。

成功的疫苗需要激活和訓(xùn)練這些罕見的前體抗體，使其成熟為具有完全戰(zhàn)斗力的病毒對(duì)抗者。

這一發(fā)現(xiàn)還證實(shí)了這種計(jì)算方法能夠識(shí)別這些極其罕見的候選者——本質(zhì)上是在生物性干草堆中尋找針——這使科學(xué)家們對(duì)這種方法在評(píng)估實(shí)驗(yàn)疫苗已部分訓(xùn)練的抗體時(shí)將能取得更好的效果充滿信心。

時(shí)機(jī)也極為理想：目前有幾種艾滋病疫苗候選者在人體試驗(yàn)中接受測(cè)試，產(chǎn)生了大量新數(shù)據(jù)。憑借快速分析這些反應(yīng)并優(yōu)化后續(xù)疫苗的能力，研究人員可以顯著縮短研發(fā)有效艾滋病疫苗的路徑。

疫苗開發(fā)的新模式

其意義遠(yuǎn)不止于艾滋病。沃德和布林尼希望這種計(jì)算方法可以應(yīng)用于多種具有挑戰(zhàn)性的疫苗靶點(diǎn)，如流感瘧疾等。

布林尼補(bǔ)充道：“該項(xiàng)目展示了結(jié)合斯克里普斯研究所和 CHAVD 的專業(yè)知識(shí)的合作力量。

我們希望該項(xiàng)目能成為一個(gè)資源，供全球的艾滋病研究人員使用——最終為那些患有或易感于艾滋病的患者帶來更好的健康結(jié)果?！?/p>