Нано так нано: ИИ-платформа найдет антибиотик против супербактерий за пару дней. Как машинное обучение и генетические алгоритмы ускоряют процесс создания новых лекарств
Ученые ИТМО первыми в мире создали скрининговую платформу, которая предсказывает эффективность комбинаций наночастиц и антибиотиков для борьбы с антибиотикорезистентными бактериями. Платформа поможет сократить поиск новых эффективных соединений с нескольких месяцев до пары дней и в перспективе поможет создавать новые препараты для борьбы с бактериями, опасными для человека и устойчивыми к препаратам. О новой разработке рассказали «Известия».
Ученые химико-биологического кластера университета ИТМО научились определять с помощью ИИ токсичные для патогенных бактерий, но безопасные для полезных микроорганизмов частицы. По словам разработчиков, антибиотики все хуже справляются с инфекциями. Создавать новые препараты против антибиотикорезистентных бактерий долго и дорого, поэтому ученые стараются повысить эффективность уже существующих средств. Один из вариантов – смешивание антибиотиков с серебряными или золотыми наночастицами. Благодаря своему размеру наночастицы легко проходят внутрь бактерии и вызывают их гибель, а в комбинации с антибиотиками усиливают эффективность терапии, снижают побочные эффекты и требуемую дозировку.
Проверка антибактериального эффекта комбинации наночастиц и антибиотиков требует времени и сил. Сначала ученым нужно подобрать выигрышное сочетание, затем синтезировать его и проверить экспериментально. Весь процесс может занять от нескольких месяцев до года.
– Платформа позволяет использовать меньшие дозы как лекарств, так и наночастиц, снижая риск побочных эффектов. Кроме того, теперь бактериям сложнее развить антибиотикорезистентность, так как им придется адаптироваться к двум разным механизмам действия одновременно – влиянию наночастиц и антибиотиков. Наше исследование поможет быстрее подбирать эффективные сочетания для борьбы с мультирезистентными патогенами, опасными для человека, – рассказал аспирант химико-биологического кластера университета ИТМО Сусан Джьякхво.
Для проекта исследователи собрали данные более чем из 100 научных статей за последние 10 лет о том, как действуют антибиотики и наночастицы по отдельности и в комбинации на разные бактерии. Обработанные данные легли в основу модели машинного обучения и генетических алгоритмов. При этом платформа учитывает множество факторов: размер наночастиц, их форму, свойства антибиотика и вид бактерий.
В итоге скрининговая платформа обнаружила несколько новых сочетаний, которые потенциально могут уничтожить опасные для человека и устойчивые к лекарствам бактерии. Например, сальмонеллу энтерику (Salmonella typhimurium), которая вызывает брюшной тиф, диарею, боли и спазмы в желудке, могут победить золотые наночастицы в сочетании с антибиотиком хлорамфеникол. В борьбе с клебсиеллой пневмонии (Klebsiella pneumoniae), провоцирующей пневмонию и другие заболевания дыхательных путей, поможет комбинация серебряных наночастиц и антибиотика амикацин. Причем для уничтожения обоих патогенов потребуется меньше смеси лекарства, чем наночастиц и антибиотика по отдельности, а значит, побочный эффект снизится.
Ученые проверят предсказания платформы в лабораторных экспериментах и доработают платформу, после чего планируется представить разработку компаниям, синтезирующим лекарства.
– Также мне хотелось бы расширить функционал платформы. Сейчас мы собрали данные об устойчивых бактериях, опасных для человека. Если добавить к ним данные о патогенных бактериях для животных и сельскохозяйственных культур, мы можем настроить платформу на поиск комбинаций наночастиц и антибиотиков для лечения новых заболеваний, – отметил Сусан Джьякхво.
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces и поддержаны грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Автор: Мария Недюк
Фото: схема синергетического скрининга антимикробных наночастиц с использованием машинного обучения, усиленного генетическими алгоритмами. Источник: пресс-служба ИТМО