Nhờ sử dụng mô hình thuật toán học máy, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts MIT (California, Mỹ) mới đây đã tìm ra một hợp chất kháng sinh mạnh. Trong các thử nghiệm ở phòng thí nghiệm, hợp chất này đã thể hiện khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn gây ra những căn bệnh khó điều trị nhất trên thế giới, kể cả một số chủng vi khuẩn đã kháng tất cả các loại thuốc kháng sinh hiện có. Hợp chất mới cũng loại bỏ bệnh lây nhiễm ở hai mô hình chuột thí nghiệm khác nhau.
Dưới sự phụ trách của giáo sư James Collins, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và kỹ thuật Y học thuộc MIT đã phát triển một nền tảng số cho phép khai thác sức mạnh của trí tuệ nhân tạo, mở ra một thời kỳ mới trong lĩnh vực tìm kiếm và phát hiện thuốc kháng sinh. Phương pháp của họ cho thấy, hợp chất mới nói trên có thể là một trong những thuốc kháng sinh mạnh nhất đã được phát hiện từ trước đến nay.
Mô hình máy tính nói trên của các nhà khoa học MIT có khả năng sàng lọc hơn 100 triệu hợp chất hóa học trong vòng vài ngày, nó được thiết kế để chọn ra những chất kháng sinh tiềm năng, có thể tiêu diệt vi khuẩn theo những cơ chế khác so với các loại thuốc đã có hiện nay.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học MIT cũng đã xác định và lập kế hoạch khảo sát tiếp một số hợp chất đầy hứa hẹn với tiềm năng sử dụng làm thuốc kháng sinh. Họ tin rằng mô hình máy tính của mình cũng có thể được sử dụng để điều chế những loại thuốc mới, dựa trên những gì đã biết về những cấu trúc hóa học cho phép các hợp chất dược phẩm tiêu diệt vi khuẩn.
Theo một chuyên gia về khoa học máy tính, mô hình học máy có thể khảo sát những phạm vi rộng các quá trình hóa học mà các phương pháp thí nghiệm truyền thống không thể thực hiện do chi phí quá cao.
Triển vọng về nguồn cung dược phẩm mới
Trong thập niên qua, chỉ có rất ít thuốc kháng sinh mới đã được phát triển. Phần lớn các loại thuốc kháng sinh mới đã được chấp thuận đều là những biến thể không khác nhiều của những loại thuốc hiện có. Các phương pháp sàng lọc tìm kiếm thuốc kháng sinh mới hiện nay thường rất tốn kém, đòi hỏi đầu tư rất nhiều thời gian và thường hạn chế trong một phạm vi hẹp một số hợp chất hóa học.
Theo các chuyên gia y tế, nhân loại đang đứng trước cuộc khủng hoảng ngày càng tăng về tính kháng thuốc kháng sinh, do ngày càng nhiều mầm bệnh đã trở nên kháng thuốc kháng sinh, trong khi đó nguồn cung thuốc kháng sinh mới của ngành dược phẩm rất hạn chế.
Trong nỗ lực tìm kiếm những hợp chất hoàn toàn mới, các nhà khoa học tại Viện Khoa học và kỹ thuật y học nói trên đã hợp tác với các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Trí tuệ nhân tạo và Khoa học máy tính (cũng thuộc MIT), đó là những người trước đây đã phát triển các mô hình học máy có thể được huấn luyện để phân tích cấu trúc phân tử của các hợp chất và liên kết chúng với các đặc điểm đặc biệt, ví dụ khả năng tiêu diệt vi khuẩn.
Việc sử dụng mô hình máy tính với khả năng dự báo để sàng lọc và tìm kiếm các hợp chất không phải là ý tưởng mới. Nhưng cho đến nay những mô hình như vậy không đủ chính xác để có thể tạo ra chuyển biến lớn cho quá trình phát hiện dược phẩm. Trước đây, các phân tử hóa học được trình bày như các véc-tơ, phản ánh sự có mặt hoặc vắng mặt của các nhóm hóa chất nhất định. Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống máy tính mô phỏng bộ não con người có thể học những cách trình bày như vậy một cách tự động, sắp xếp các phân tử vào các véc-tơ liên tục mà sau đó được sử dụng để dự báo tính chất của chúng.
Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế mô hình của họ để tìm kiếm những đặc điểm hóa học khiến cho phân tử có khả năng tiêu diệt vi khuẩn E.coli. Để làm điều đó, họ huấn luyện mô hình máy tính của mình với 2.500 hợp chất hóa học, kể cả khoảng 1.700 dược phẩm đã được Cục Thực phẩm và Dược phẩm (FDA) Mỹ chấp thuận, và 800 sản phẩm tự nhiên với những cấu trúc đa dạng, có hoạt tính sinh học rộng.
Sau khi mô hình đã được huấn luyện, các nhà nghiên cứu thử nghiệm nó với các hợp chất trong kho dữ liệu khoảng 6000 hợp chất của Viện Broad tại Cambridge (Massachusetts, Mỹ). Mô hình máy tính đã chọn ra 1 hợp chất mà nó dự báo sẽ có hoạt tính diệt khuẩn mạnh và có cấu trúc hóa học khác với các loại thuốc kháng sinh hiện có. Khi sử dụng một mô hình học máy khác, các nhà khoa học cũng chứng minh hợp chất này có khả năng sẽ ít độc hại đối với tế bào người.
Hợp chất đó được các nhà khoa học đặt tên là halicin, trước đó nó đã được khảo sát như một loại thuốc có tiềm năng trong điều trị bệnh tiểu đường. Các nhà khoa học đã thử nghiệm halicin với hàng chục chủng vi khuẩn được phân lập từ bệnh nhân và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy, loại thuốc mới có khả năng tiêu diệt nhiều chủng vi khuẩn kháng kháng sinh, kể cả Clostridium difficile (vi khuẩn gây viêm đại tràng), Acinetobacter baumannii (vi khuẩn gram âm) và Mycobacterium tuberculosis (vi khuẩn gây bệnh lao). Loại thuốc mới có tác dụng đối với mọi chủng vi khuẩn mà họ đã thử nghiệm, ngoại trừ Pseudomonas aeruginosa (trực khuẩn mủ xanh) – vi khuẩn gây bệnh phổi rất khó điều trị.
Với mục đích thử nghiệm hiệu quả của halicin ở động vật sống, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để điều trị chuột nhiễm A. baumannii – loại vi khuẩn đang lây nhiễm nhiều lính Mỹ đồn trú tại Irắc và Afganistan. Chủng vi khuẩn A. baumannii mà họ thử nghiệm có khả năng kháng tất cả các loại thuốc kháng sinh đã biết, nhưng khi sử dụng thuốc mỡ chứa halicin thì tình trạng nhiễm trùng đã được chấm dứt trong vòng 24 giờ.
Các nghiên cứu sơ bộ cho thấy, halicin tiêu diệt vi khuẩn bằng cách ngăn không cho chúng duy trì gradient điện hóa trên màng tế bào của mình. Đây là gradient cần thiết để tạo ra ATP (những phân tử mà tế bào sử dụng cho mục đích lưu trữ năng lượng), vì vậy vi khuẩn sẽ chết nếu gradient đó bị phá vỡ. Theo các nhà nghiên cứu y học, vi khuẩn sẽ khó có khả năng phát triển khả năng đề kháng chống lại cơ chế tiêu diệt này.
Trong nghiên cứu nói trên, các nhà khoa học đã phát hiện thấy vi khuẩn E.coli không thể phát triển khả năng đề kháng chống lại halicin trong thời gian điều trị 30 ngày. Trái lại, loại vi khuẩn này bắt đầu phát triển khả năng đề kháng chống lại thuốc kháng sinh ciproflaxin chỉ trong vòng 1 đến 3 ngày, sau 30 ngày vi khuẩn đã có khả năng đề kháng chống ciproflacin cao gấp 200 lần so với khi bắt đầu thử nghiệm.
Hiện các nhà nghiên cứu đang tiến hành các khảo sát tiếp và hợp tác với một công ty dược phẩm, họ hy vọng trong thời gian tới sẽ phát triển thuốc có thể sử dụng ở người.
Sau khi tìm ra halicin, các nhà nghiên cứu MIT cũng đã sử dụng mô hình của mình để sàng lọc hơn 100 triệu phân tử được lựa chọn từ cơ sở dữ liệu ZiNC15 với khoảng 1,5 tỷ hợp chất hóa học. Quá trình sàng lọc này diễn ra chỉ trong 3 ngày, họ đã xác định được 23 hợp chất tiềm năng có cấu trúc khác với các thuốc kháng sinh hiện có và được dự báo sẽ không độc hại đối với tế bào người.
Trong các thử nghiệm với 5 chủng vi khuẩn khác nhau, các nhà khoa học đã phát hiện thấy rằng 8 trong số các hợp chất nói trên thể hiện hoạt tính diệt khuẩn, hai hợp chất có hoạt tính đặc biệt mạnh.
Các nhà khoa học cũng lập kế hoạch sử dụng mô hình của mình để điều chế các thuốc kháng sinh mới và tối ưu hóa các hợp chất hiện có. Ví dụ, họ có thể huấn luyện mô hình để tìm kiếm những thuốc kháng sinh chỉ nhằm vào một số vi khuẩn nhất định, tránh tiêu diệt những vi khuẩn có ích trong bộ máy tiêu hóa của bệnh nhân.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn ScienceDaily/Vinachem
