Остановка малярии в его следах

Разработка лучшей вакцины против малярии с помощью ИИ, который может спасти сотни тысяч жизней каждый год

Когда биохимик Мэтью Хиггинс основал свою исследовательскую группу в 2006 году, у него была малярия твердо в его достопримечательностях. Болезнь комаров является вторым только туберкулезом с точки зрения его разрушительного глобального воздействия. Малярия убила около 627 000 человек в 2020 году, в основном дети в возрасте до пяти лет, и почти половина населения мира находится в пределах его досягаемости, хотя Африка, безусловно, наиболее сильно поражается. Симптомы инфекции могут начаться с лихорадки и головной боли, что делает его легко пропустившим или неверно диагностированным – и, следовательно, остается необработанным.

Поэтому предотвращение малярии является приоритетом, поэтому Хиггинс, профессор молекулярной паразитологии в Оксфордском университете, не покладал в голову свою команду, чтобы понять, как паразит малярии взаимодействует с белками-хостами. Их цель состоит в том, чтобы использовать эти идеи для разработки улучшенной терапии, включая вакцину, которая будет гораздо более эффективной, чем то, что в настоящее время доступно.

Когда человека укусается зараженным женским комаром, один из пяти типов малярийного паразита может войти в кровоток. Эти одноклеточные паразиты обычно переносятся в печень, где они созревают и размножаются, выпуская больше в кровоток. Такие симптомы, как лихорадка, озноб, усталость и болезнь, могут появиться не до 10 дней до четырех недель после возникновения инфекции, однако скорость диагноза имеет решающее значение. Из пяти видов паразитов, которые вызывают малярию у людей, два особенно опасны. Например, инфекция Plasmodium falciparum может, если не лечить, внезапно перерасти до тяжелой болезни и смерти в течение дня.

Ключевой проблемой для Хиггинса является форсирование характера малярийных паразитов. Их способность постоянно изменять их внешний вид, а также способность их клеток -хозяина (красная кровь) позволяет им уклоняться от иммунной системы человека. «С точки зрения наркотиков или вакцины, открытия, это затрудняет его привязать и решить, на что нацелиться», – говорит он. Возможность полностью эффективной вакцины – единственный способ остановить малярию на ее следах – казалась отдаленной.

Срочность гонки для разработки эффективной вакцины подчеркивается количеством команд, работающих для достижения этой цели. В настоящее время RTS, S, широко известная под названием Mosquirix, является единственной утвержденной инокуляцией. По словам Хиггинса, он был разработан для детей и в октябре 2021 года. Его прибытие было «огромным продвижением» и «очень хорошими новостями». Поскольку RTS, S нацелен только на первый этап инфекции, при котором паразит малярии переносится в печень, он имеет только около 30% эффективности. «30% – это большое дело. Это означает, что многие жизни спасены », – говорит он. «Но это далеко не так, как мы хотим».

Совсем недавно другая команда из Оксфордского университета – Институт Дженнера – сообщила о многообещающих результатах другой подобной вакцины. Его подход, который состоит из трех доз, за ​​которыми следуют бустер год спустя, имеет уровень эффективности 77%. Однако, как и Mosquirix, эта вакцина перехватывает первую, предварительную стадию жизненного цикла паразита малярии.

Напротив, Хиггинс – наряду со своими сотрудниками Оксфорда Саймоном Дрейпером и Суми Бисвас – разрабатывает иммуногены вакцины для многоэтапной вакцины, которая может одновременно работать на каждом этапе цикла инфекции. Помимо первоначального входа паразита в клетки печени человека, конечная цель лаборатории-это вакцина, которая может не только нацелиться на инвазию крови-клеток, которая следует за инфекцией, но и на последнюю репродуктивную стадию жизненного цикла паразита, который включает в себя слияние его мужчины и женские гаметы. Важно справиться с этой стадией, потому что инфицированные люди могут передавать паразита ранее неинфицированным комарам, если снова укушены, продолжая цикл.

Прогресс был тяжелым и медленным. Чтобы проиллюстрировать почему, рассмотрим вирус Covid-19. Этот тип коронавируса имеет только один белок шипа на своей поверхности, на который должна нацелиться вакцину. По словам Хиггинса, паразиты малярии, с другой стороны, имеют сотни или даже тысячи поверхностных белков. И это скользкий форсифтер.

Важно отметить, что разработка вакцины, которая содержит критическую инфекционную компонент, требует знания молекулярной структуры одного поверхностного белка гамета-PFS48/45-необходимо для развития паразита в средней кишке комара. Здесь Хиггинс и его команда были сорваны. В течение многих лет они пытались расшифровать форму белка с ограниченным успехом. Даже используя два из лучших экспериментальных методов, доступных для различения структуры белка-рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии-исследователи могут получить только нечеткие изображения с низким разрешением. В результате их структурные модели PFS48/45 были обязательно несовершенными и неполными.

Это было, пока не прибыл Алфафолд.

«Мы боролись с этой проблемой годами, пытаясь получить необходимые детали», – говорит Хиггинс. «Затем мы добавили в смесь алфафол. И когда мы объединили нашу модель с предсказанной структурой Alphafold, мы внезапно могли увидеть, как работала вся система ». Хиггинс вспоминает захватывающий момент, когда его аспирант Куанг-Тин Ко-«который пробовал всевозможные разные вещи, чтобы улучшить экспериментальные образы»-ворвался в офис с новостями.

«Это было большое облегчение», – говорит Хиггинс, и поворотный момент для проекта. Сочетание трудоемкой экспериментальной работы и прогнозирования ИИ быстро привело к резкому взгляду на PFS48/45. «Важнейшая информация о алфалолде позволила нам решить, какие кусочки белка мы хотим поместить в вакцину и как мы хотим организовать эти белки», – говорит Хиггинс. «Alphafold позволил нам поднять наш проект на следующий уровень, от фундаментальной научной стадии до стадии доклинической и клинической разработки».

Конечно, Alphafold не без недостатков. Хиггинс отметил, что, хотя система ИИ работала хорошо, предсказывая, как каждый модуль внутри белка принимает свою структуру, были случаи, когда его 3D -визуализация были немного не сняты. По его словам, чтобы получить наиболее точные и уверенные результаты, AlphaFold лучше всего используется наряду с более традиционными инструментами, такими как криоэлектронная микроскопия. «Я уверен, что прогнозы AlphaFold станут все лучше и лучше. Но на данный момент объединение экспериментальных знаний с Alphafold Models является оптимальным подходом, потому что он позволяет нам собрать все вместе. Это тот подход, который мы используем для многих наших проектов ».

Сотрудник Хиггинса, профессор Суми Бисвас, будет проводить клиническое исследование человека PFS48/45 В этих испытаниях вакцинации и для разработки улучшенных вакцин. В стремлении к разработке вакцины, которая работает на каждой стадии жизненного цикла малярии, Хиггинс также делает шаги в понимании другой цели, крупного белкового комплекса на стадии малярии, где паразиты заражают эритроциты, вызывая начало симптомов. Используя комбинацию алфалолда и крио-эм, команда усердно работает, чтобы понять, как этот комплекс соединяется вместе.

Посмотрев дальше по дороге, Хиггинс предполагает, что Alphafold является важнейшей технологией для создания новых, полезных белков с нуля, процесса, известного как дизайн белка de novo. «Будущее алфалолда может быть не столько в прогнозировании молекул, которые уже существуют в клетках, а скорее в прогнозировании структур молекул, которые люди разрабатывают для конкретных применений, таких как вакцины», – говорит он. «Если мы можем разрабатывать белки, а затем использовать Alphafold, чтобы предсказать, сложут ли они так, как нам они нуждаются, это будет очень мощным».