L'intelligenza artificiale individua le future varianti di corona

Evoluzione sintetica

Come base per il loro metodo, Reddy e il suo team hanno generato in laboratorio un'ampia collezione di varianti mutate della proteina spike della SARS-CoV-2. Non hanno lavorato con virus vivi, ma solo con una parte della proteina spike. In questo modo non c'era il rischio che i virus vivi uscissero dal laboratorio.

La proteina spike si aggancia alla cosiddetta proteina ACE2 sulla superficie delle cellule umane durante un'infezione; gli anticorpi di individui vaccinati o guariti e quelli dei farmaci anticorpi agiscono bloccando questo meccanismo. Molte delle mutazioni nelle precedenti varianti della Sars-CoV-2 si sono verificate in questo sito di aggancio della proteina spike, che ha permesso a queste varianti di eludere il sistema immunitario e di diffondersi ulteriormente.

La collezione creata dai ricercatori di Basilea non comprende tutte le varianti teoricamente possibili - difficilmente sarebbe possibile testare in laboratorio diversi miliardi di varianti - ma ne comprende un milione. Queste ultime sponsorizzano diverse mutazioni o combinazioni di mutazioni.

Utilizzando metodi high-throughput e sequenziando il DNA di questi milioni di varianti, i ricercatori hanno determinato il modo in cui queste varianti interagiscono con la proteina ACE2 e con i farmaci anticorpali esistenti. I loro dati forniscono informazioni sulla capacità delle singole varianti di infettare potenzialmente le cellule umane e di eludere gli anticorpi.

I ricercatori hanno quindi utilizzato i dati raccolti per addestrare modelli di apprendimento automatico. Sulla base della sequenza del DNA di una variante, questi modelli possono ora prevedere con precisione se questa variante è in grado di agganciarsi alla proteina ACE2 e quindi infettare una cellula del corpo umano. Gli algoritmi possono anche prevedere se la variante può eludere gli anticorpi neutralizzanti esistenti. I modelli informatici possono ora essere utilizzati per fare queste previsioni per decine di miliardi di varianti teoricamente possibili, superando di gran lunga il milione di varianti che i ricercatori hanno testato in laboratorio.

Farmaci anticorpali più efficaci

Il nuovo metodo può ora aiutare a sviluppare la prossima generazione di terapie a base di anticorpi. Diversi farmaci anticorpali di questo tipo sono stati sviluppati per trattare il virus originale della SARS-CoV-2 e sono stati ammessi negli Stati Uniti e in Europa. Cinque di questi hanno dovuto essere successivamente ritirati dal mercato perché si sono dimostrati non sufficientemente efficaci contro la variante Omicron. Lo sviluppo di altre terapie ancora in fase di sviluppo è stato interrotto per lo stesso motivo.

"Il nostro metodo consente ai ricercatori di determinare quali anticorpi hanno il maggior potenziale per neutralizzare efficacemente non solo le varianti attuali, ma anche quelle future", afferma Reddy. Gli scienziati dell'ETH stanno già lavorando all'ETH con aziende biotecnologiche che sviluppano terapie con anticorpi Covid-19 di nuova generazione.

Scoprire varianti immuno-invasive

Il metodo sviluppato all'ETH di Zurigo potrebbe rivelarsi utile anche per lo sviluppo della prossima generazione di vaccini contro il virus Covid-19: Il metodo può essere utilizzato per identificare potenziali varianti del virus che si legano alla proteina ACE2 - e possono quindi infettare le cellule umane - ma non possono essere neutralizzate dagli anticorpi di individui vaccinati e guariti.

"Naturalmente nessuno sa quale variante del SARS-CoV-2 emergerà successivamente", afferma Reddy. "Ma è possibile identificare le mutazioni chiave che potrebbero verificarsi nelle varianti future e quindi sviluppare in anticipo vaccini che offrano una protezione più ampia contro queste potenziali varianti future".

Aiutare le autorità nelle loro decisioni

Infine, il nuovo metodo è interessante per le autorità sanitarie. Quando compare una nuova variante del virus, le autorità possono utilizzarlo per determinare molto rapidamente quale dei vaccini esistenti è ancora efficace contro la nuova variante. Il metodo può quindi accelerare le decisioni relative alle vaccinazioni. Ad esempio, le persone che hanno ricevuto un determinato vaccino possono produrre anticorpi che non sono efficaci contro una nuova variante e dovrebbero quindi ricevere una vaccinazione di richiamo il prima possibile.

Reddy sottolinea che la tecnologia potrebbe essere adattata anche ad altri virus, come quello dell'influenza stagionale, al fine di ottenere maggiori informazioni per lo sviluppo di vaccini in futuro.

Questa ricerca è stata sostenuta dal Centro di ricerca Botnar per la salute infantile nell'ambito del "Fast Track Call" per gli aiuti d'emergenza Covid-19.