Inginerii MIT utilizează inteligența artificială pentru a crea vaccinuri ARN rezistente la căldură
Inginerii de la MIT au descoperit o metodă de stabilizare a nanoparticulelor lipidice folosite pentru livrarea vaccinurilor ARN, ceea ce ar putea permite o distribuție mai largă a acestora.
Vaccinurile ARN, dovedite eficiente împotriva Covid-19, sunt acum dezvoltate pentru multe alte boli, inclusiv cancer. Unul dintre dezavantajele acestor vaccinuri este necesitatea de a fi păstrate la temperaturi extrem de scăzute, însă cercetătorii de la MIT au găsit o soluție promițătoare pentru a depăși această limitare.
Cu ajutorul unui algoritm de inteligență artificială, cercetătorii au modificat formula din jurul nanoparticulelor lipidice folosite pentru livrarea vaccinurilor ARN, făcându-le mai rezistente la căldură. Această abordare a dus la formularea vaccinurilor care pot rămâne stabile chiar și la temperatura camerei timp de până la un an sau la aproape 38 de grade Celsius timp de două luni.
Vaccinurile Covid-19 administrate șoarecilor, purtând aceste particule, au generat o reacție imună la fel de puternică ca vaccinul ARN Covid-19 similar celui dezvoltat de Moderna. Folosind algoritmul AI pentru a prezice formulările optime pentru particule, cercetătorii au reușit să reducă numărul de experimente necesare, accelerând astfel procesul de dezvoltare.
„Frumusețea reală a acestui algoritm este că îl putem folosi cu seturi mici de date. Este foarte greu să realizăm mii de experimente, așa că acest algoritm ne permite să atingem mai ușor formulări cu caracteristicile dorite – în acest caz, stabilitate”, a declarat Ana Jaklenec.
Jaklenec și Robert Langer sunt autorii principali ai lucrării publicate în Nature Biotechnology. Studentul absolvent Jinbi Tian și cercetătorul postdoctoral Khanh Tran sunt autorii principali ai lucrării.
RNA este o moleculă foarte fragilă, așa că cercetătorii o stabilizează cu nanoparticule lipidice (LNP) care protejează ARN-ul de degradare și ajută la introducerea acestuia în celule. Totuși, aceste vaccinuri ARN-LNP trebuie să fie păstrate la temperaturi scăzute (-20 până la -80 de grade Celsius), ceea ce îngreunează transportul lor în regiuni fără facilități de stocare la rece.
Crearea de vaccinuri mai rezistente la căldură ar permite nu doar o distribuție mai largă, dar ar putea ajuta și la dezvoltarea de noi vaccinuri care pot fi administrate prin metode inovatoare, cum ar fi plasturii cu microace. Acești plasturi conțin sute de microace umplute cu vaccin, care se dizolvă atunci când plasturele este aplicat pe piele, eliberând vaccinul.
Pentru a crea vaccinuri ARN mai stabile, cercetătorii au experimentat cu adăugarea unei varietăți de excipienți – zaharuri, săruri sau polimeri – la LNP-uri. Jaklenec și Langer au dezvoltat recent LNP-uri stabilizate cu polimeri care pot rezista la temperaturi mai ridicate, dar aceste LNP-uri erau ușor diferite de formulările aprobate de FDA folosite pentru vaccinurile Covid-19 de la Moderna și Pfizer.
În noua lor lucrare, cercetătorii au dorit să afle dacă pot face aceste formulări aprobate de FDA mai stabile la temperaturi ridicate.
Au început prin reutilizarea unora dintre excipienții care funcționaseră în eforturile lor anterioare, dar s-au „blocat”, spune Jaklenec. „Încercam să folosim și să selectăm excipienți pe care i-am folosit cu succes anterior pentru a stabiliza LNP-urile, dar pur și simplu nu funcționa. Era foarte frustrant pentru echipă.”
Pentru a accelera progresul, cercetătorii au decis să încerce o abordare bazată pe învățare automată. Colaborând cu cercetătorii de la Laboratorul de Știință și Inteligență Artificială de la MIT (CSAIL), au dezvoltat un algoritm capabil să facă predicții bazate pe seturi de date foarte mici.
„Fuseserăm utilizați algoritmii în diverse aplicații de design experimental automatizat înainte, dar niciodată pe o problemă biologică precum stabilitatea vaccinurilor”, a spus Mina Konaković Luković. „A fost surprinzător să vedem cât de repede algoritmul a ajuns la o formulare stabilă – ajungând acolo în doar câteva iterații, mai degrabă decât căutarea exhaustivă care ar fi fost necesară în mod normal.”
Cercetătorii au folosit acest algoritm pentru a analiza aproape 50 de excipienți aprobați de FDA. Pentru fiecare excipient, au măsurat cât de bine stabilizează ARN-ul atunci când este încorporat într-un LNP. Au folosit aceste particule pentru a livra mRNA care codifică o proteină numită luciferază de licurici, care produce bioluminescență, în celule. Măsurând cât de multă lumină a fost emisă de celule, cercetătorii au putut determina cât de eficient a protejat fiecare excipient mRNA-ul.
Cercetătorii au ales cinci dintre cei mai promițători excipienți și au folosit algoritmul lor AI pentru a prezice raporturile acestor excipienți care ar stabiliza cel mai bine LNP-urile similare cu cele utilizate de Moderna. Pe baza acestor predicții, cercetătorii au testat câte două formulări simultan în celule, au alimentat rezultatele înapoi în algoritm și au generat mai multe predicții. După câteva runde, au ales o formulare care părea promițătoare pentru a fi testată în studii pe animale.
Această procedură a durat doar câteva săptămâni, mult mai puțin decât ar fi durat fără îndrumarea algoritmului AI.
„Înainte de a implementa algoritmul AI, am petrecut câteva luni testând diferite combinații și, de asemenea, făcând prescreening al tuturor excipienților pe care îi puteam găsi, dar nimic nu ne-ar adus la 100% stabilitate”, a spus Tran.
Pentru a testa rezistența la căldură a noii formulări LNP, cercetătorii au folosit particulele pentru a împacheta antigenele mRNA Covid-19, apoi le-au deshidratat utilizând un proces numit uscare prin vid. Aceste particule au fost apoi păstrate la 37 de grade Celsius timp de două luni sau la temperatura camerei timp de un an. Șoarecii vaccinați cu aceste particule, chiar și după stocarea pe termen lung, au arătat reacții imune echivalente cu cele ale șoarecilor care au primit vaccinuri purtate de LNP-uri similare cu formularea originală a Moderna.
Cercetătorii au folosit, de asemenea, noua formulare rezistentă la căldură pentru a crea plasturi cu microace solide care ar putea livra un antigen SARS-CoV-2. Aceste plasturi au generat o reacție imună similară cu cea produsă de vaccinurile injectabile ARN.
„Abordarea noastră lărgește aplicațiile nu doar ale vaccinurilor ARN, ci și ale terapiei sau platformelor avansate de livrare a medicamentelor, cum ar fi particulele cu eliberare controlată sau plasturii cu microace, care necesită ca formularea să fie fie în stare solidă, fie să fie stabilă la temperaturi mai ridicate”, a spus Tian.
Cercetătorii au demonstrat, de asemenea, că pot folosi algoritmul lor pentru a stabiliza alte formulări LNP, inclusiv una similară cu cele folosite de Pfizer pentru a livra vaccinul său Covid-19. Această formulare utilizează aceiași excipienți ca și cea dezvoltată de echipa MIT pentru LNP-ul Moderna, dar într-un raport diferit.
