Forscher verbessern Impfstoffe und Immuntherapien mit maschinellem Lernen, um wirksamere Behandlungen voranzutreiben

Kleine Moleküle, sogenannte Immunmodulatoren, können dazu beitragen, wirksamere Impfstoffe und stärkere Immuntherapien zur Behandlung von Krebs zu entwickeln.

Es ist jedoch schwierig, die Moleküle zu finden, die die richtige Immunantwort auslösen – die Zahl der wirkstoffähnlichen kleinen Moleküle wurde auf 1060 geschätzt, viel höher als die Zahl der Sterne im sichtbaren Universum.

In einer potenziellen Neuheit auf dem Gebiet der Impfstoffentwicklung leitete maschinelles Lernen die Entdeckung neuer Moleküle, die den Immunweg verstärken, und fand ein bestimmtes kleines Molekül, das die besten Immunmodulatoren auf dem Markt übertreffen könnte. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Chemische Wissenschaft.

„Wir haben Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt, um die Suche in einem riesigen chemischen Raum zu steuern“, sagte Prof. Aaron Esser-Kahn, Co-Autor der Arbeit, der die Experimente leitete. „Dabei haben wir Moleküle mit einer Leistung auf Rekordniveau gefunden, die uns kein Mensch nahegelegt hätte. Wir freuen uns, die Blaupause für diesen Prozess zu teilen.“

„Maschinelles Lernen wird in großem Umfang bei der Arzneimittelentwicklung eingesetzt, aber es scheint, dass es bisher nicht auf diese Weise für die Entdeckung von Immunmodulatoren eingesetzt wurde“, sagte Prof. Andrew Ferguson, der das maschinelle Lernen leitete. „Es ist ein schönes Beispiel für die Übertragung von Werkzeugen von einem Bereich auf einen anderen.“

Maschinelles Lernen zum Screening von Molekülen

Immunmodulatoren wirken, indem sie die Signalaktivität der angeborenen Immunwege im Körper verändern. Insbesondere der NF-κB-Signalweg spielt eine Rolle bei Entzündungen und der Immunaktivierung, während der IRF-Signalweg bei der antiviralen Reaktion von wesentlicher Bedeutung ist.

Anfang dieses Jahres führte das PME-Team ein Hochdurchsatz-Screening durch, bei dem 40.000 Kombinationen von Molekülen untersucht wurden, um festzustellen, ob diese Wege beeinflusst wurden. Anschließend testeten sie die Spitzenkandidaten und stellten fest, dass, wenn diese Moleküle Adjuvantien hinzugefügt wurden – Inhaltsstoffe, die die Immunantwort in Impfstoffen stärken –Die Moleküle verstärkten die Antikörperreaktion und reduzierten Entzündungen.

Um weitere Kandidaten zu finden, nutzte das Team diese Ergebnisse in Kombination mit einer Bibliothek von fast 140.000 kommerziell erhältlichen kleinen Molekülen, um einen iterativen rechnerischen und experimentellen Prozess zu steuern.

Der Doktorand Yifeng (Oliver) Tang nutzte eine Technik des maschinellen Lernens namens aktives Lernen, die sowohl Erkundung als auch Nutzung kombiniert, um das experimentelle Screening effizient durch den molekularen Raum zu steuern. Dieser Ansatz lernt aus den zuvor gesammelten Daten und findet potenziell leistungsstarke Moleküle, die experimentell getestet werden können. Gleichzeitig werden Bereiche aufgezeigt, die noch nicht ausreichend erforscht sind und möglicherweise einige wertvolle Kandidaten enthalten.

Der Prozess war iterativ; Das Modell zeigte potenziell gute Kandidaten oder Bereiche auf, in denen es mehr Informationen benötigte, und das Team führte eine Hochdurchsatzanalyse dieser Moleküle durch und speiste die Daten dann zurück in den aktiven Lernalgorithmus.

Moleküle, die den Rest übertreffen

Nach vier Zyklen – und letztlich nur etwa 2 % der Probenentnahme – fand das Team leistungsstarke kleine Moleküle, die noch nie zuvor gefunden worden waren. Diese leistungsstärksten Kandidaten verbesserten die NF-κB-Aktivität um 110 %, erhöhten die IRF-Aktivität um 83 % und unterdrückten die NF-κB-Aktivität um 128 %.

Ein Molekül induzierte eine dreifache Steigerung der IFN-β-Produktion, wenn es mit einem sogenannten STING-Agonisten (Stimulator von Interferon-Genen) verabreicht wurde. STING-Agonisten fördern stärkere Immunantworten innerhalb von Tumoren und sind eine vielversprechende Behandlung von Krebs.

„Die Herausforderung bei STING bestand darin, dass man nicht genügend Immunaktivität im Tumor erreichen kann oder dass es zu einer Aktivität außerhalb des Ziels kommt“, sagte Esser-Kahn. „Das von uns gefundene Molekül übertraf die besten veröffentlichten Moleküle um 20 Prozent.“

Sie fanden auch mehrere „Generalisten“ – Immunmodulatoren, die in der Lage sind, Signalwege zu modifizieren, wenn sie zusammen mit Agonisten verabreicht werden, Chemikalien, die zelluläre Rezeptoren aktivieren, um eine biologische Reaktion hervorzurufen. Diese kleinen Moleküle könnten letztendlich in breiterem Umfang in Impfstoffen eingesetzt werden.

„Diese Generalisten könnten bei allen Impfstoffen gut sein und daher leichter auf den Markt zu bringen sein“, sagte Ferguson. „Das ist ziemlich spannend, dass ein Molekül eine vielschichtige Rolle spielen könnte.“

Um die durch maschinelles Lernen gefundenen Moleküle besser zu verstehen, identifizierte das Team außerdem gemeinsame chemische Merkmale der Moleküle, die wünschenswerte Verhaltensweisen fördern. „Dadurch können wir uns auf Moleküle konzentrieren, die diese Eigenschaften haben, oder auf rationale Weise neue Moleküle mit diesen chemischen Gruppen konstruieren“, sagte Ferguson.

Das Team geht davon aus, diesen Prozess fortzusetzen, um nach weiteren Molekülen zu suchen, und hofft, dass andere auf diesem Gebiet Datensätze teilen, um die Suche noch fruchtbarer zu machen. Sie hoffen, Moleküle auf spezifischere Immunaktivität zu untersuchen, beispielsweise auf die Aktivierung bestimmter T-Zellen, oder eine Kombination von Molekülen zu finden, die ihnen eine bessere Kontrolle der Immunantwort ermöglicht.

„Letztendlich wollen wir Moleküle finden, die Krankheiten behandeln können“, sagte Esser-Kahn.

Ein Team der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) an der University of Chicago ging das Problem an, indem es maschinelles Lernen einsetzte, um ein experimentelles Hochdurchsatz-Screening dieses riesigen Suchraums zu steuern.