החוקרים פיתחו את EVE-VAX, כלי עיצוב חישובי שיוצר חלבוני ספייק SARS-COV-2 סינטטיים המחקים גרסאות עתידיות מעוררות חיסון. חלבונים מעוצבים אלה מאפשרים הערכה מוקדמת של יעילות החיסון לפני שגרסאות כאלה מופיעות באופן טבעי.
מחקר: חלבונים מעוצבים חישוביים מחקים נוגדן התחמקות חיסונית בהתפתחות נגיפית. קרדיט תמונה: Timestopper69 / Shutterstock
מחקר שנערך לאחרונה בכתב העת חֲסִינוּת דיווחים על שיטה חישובית חדשה (EVE-VAX), המשתמשת במסגרת EVESCAPE, כדי לתכנן אנטיגנים המבצעים בריחה חיסונית המצוינת בגרסאות ויראליות עתידיות.
גרסאות ויראליות חדשות מערערות את יעילות החיסון הקיימת
התפתחות נגיפית מהירה מאתגרת ללא הרף את יעילות ההתערבויות והחיסונים הרפואיים. אנו מעריכים כיום התערבויות על ידי הערכת גרסאות בעבר או במחזור. זה מודגם על ידי זיהומים פורצי דרך חוזרים ונשנים שנצפו במהלך מחלת Coronavirus 2019 (Covid-19), הנגרמת על ידי נגיף הקורונאוויירוס הנשימתי החריף 2 (SARS-COV-2). זה מדגיש את הצורך באסטרטגיות יזומות יותר כדי להתמודד עם התפתחות נגיפית.
מסגרות המנבאות מוטציות חיסוניות-חיסוניות יכולות להקל על התפתחות חלבונים נגיפיים ולהעריך את עוצמתם של נוגדנים המוחזקים בחיסון. שתי שיטות ניסיוניות וגם חישוביות שימשו כדי להשיג מטרה זו, אך לשיטות ניסוי יש מגבלות, כולל לעתים קרובות הסתמכות על סרה מטופלת שעשויה להיות לא זמינה בשלב מוקדם של התפרצות, מוגבלת לתת -דומיין של האנטיגן וכן הלאה. עם זאת, שיטות אלה מסייעות לייצור אנטיגנים הכוללים שילובי מוטציה חדשים המתחמקים מנטרול.
מודלים חישוביים עוזרים להתגבר על כמה מהמגבלות שהוזכרו לעיל, כפי שמעידים Evescape, מודל למידה עמוקה חישובית, אשר ניבא במדויק מוטציות מעוררות חיסוניות על פני שפעת, נגיף לאסה, SARS-COV-2 ו- HIV. עם זאת, האם שיטות חישוביות מייצרות אנטיגנים פונקציונליים שטרם הוכח בריחה חיסונית.
תקציר גרפי
על המחקר
מחקר זה מייצר ובוחן באופן ניסיוני חלבוני ספייק SARS-COV-2 עם שילובי מוטציה חדשים באמצעות צינור התכנון EVE-VAX. המוטציות המוערכות היו מייצגות את ההתפתחות האנטיגנית העתידית. שמונים ושלוש גרסאות חדשות של חלבון "ספייק" ב- SARS-COV-2 תוכננו באמצעות EVE-VAX. כל גרסה חדשה כללה שילוב שונה של עד עשר מוטציות חדשות יחסית לגרסת הרקע שלה לדאגה (VOC), וכמה מבנים הכילו עד 46 מוטציות ביחס לזן B.1 של האבות. התחום המחייב לקולטנים (RBD) היה 57% מהמוטציות, ואילו 40% היו בתחום ה- N-terminal (NTD).
חמש גרסאות של דאגה (VOC) רקע שימשו לפיתוח 83 מבני ספייק רב-מוטנטים באורך מלא, כלומר B.1, Ba.4/5, Ba.2.12.1, Ba.2.75 ו- XBB. אלה היו מהונדסים כדלקת פסאודוטיפים של זיהום חד-מחזורי, שיטה המאפשרת הערכה מעבדתית בטוחה שכן pseudoviruses אינם מתקשרים. חוקרים חישוביים וניסויים התחברו כדי להעריך את הרגישות לנטרול כנגד סרה חיסונית פוליקלונית. הסרה נגזרה מתשעה לוחות סרום אנושיים מגוונים המייצגים היסטוריות חשיפה COVID-19 מגוונות. הדוקרנים שעיצבו EVE-VAX חיקו את פרופילי ה- VOC המתעוררים של VOC המתעוררים. EVE-VAX רשם את ההסתברות לבריחת נוגדנים על ידי התחשבות בשלושה אילוצים רלוונטיים ביולוגית: השפעה על כושר, נגישות לנוגדנים ופוטנציאל הפרעה על קשירת נוגדנים.
ממצאי לימוד
תשעים אחוז מהמבנים המעוצבים היו זיהומיים. שמונת המבנים הלא זיהומיים יוחסו לשתי סיבות עיקריות: ארבע הכילו שלישייה של מוטציות (L452R, F490R ו- Q493S) קרוב יותר במבנה תלת-ממדי מאשר שלשות פנדמיות, והארבע האחרות תוכננו באמצעות דגם שהוכשר באופן בלעדי על רצפים טרום-פנדמי. עם זאת, שיעור ההצלחה של 90% הוא ראוי לשבח ועולה על השיעורים הצפויים למוטציות שהוצגו באופן אקראי, ומציע תובנות לזיקוק האלגוריתם התכנון של EVE-VAX.
דוקרנים שתוכננו על גרסאות SARS-COV-2 מוקדמות הראו עמידות לנטרול כמו גרסאות עוקבות, כאשר ההתנגדות הגבוהה ביותר בקרב גרסאות בפועל ביחס להורה המוצג על ידי CH.1 ו- XBB. מרבית הגרסאות הראו נוגדן גבוה יותר בריחה ביחס לגרסת ההורים שלהם. החריגים היו XBB.1, BQ.1.1 ו- XBB.1.5 גרסאות. הגרסאות המתעוררות הראו ירידה כמעט פי ארבעה (פי 3.9) בטיטרי ID50 הממוצע הגיאומטרי בהשוואה לגרסת ההורים שלהם, בממוצע. יתר על כן, גרסאות עם בריחת נוגדנים גבוהה יותר צוינו כי הפחיתו את הזיהום ביחס לגרסאות ההורים.
(א) סקירה סכמטית של EVE-VAX לעיצוב חלבונים אנטיגניים. מוטציות בודדות בתוך 1% המובילות מציוני הבריחה הגבוהים ביותר עם החזות הגבוהה ביותר שולבו כדי לייצר את כל המוטנטים הכפולים האפשריים. מוטציות כפולות נקבעו ומשולבות עוד יותר ליצירת מבנים מרובי מוטנטים. לאחר מכן הוערכו מבנים מעוצבים לצורך זיהום ורגישות לנטרול באמצעות מבחני וירוסים פסאודוטיפיים. חלקים מהדמות נוצרו עם ביורנדר. (ב) Cladogram המתאר VOCs ומבנים מעוצבים חישוביים (משולשים אדומים). אורכי הענף פרופורציונליים לסדר הזמני של הופעת וריאנט. (ג) מוטציות על פני 83 מבני ספייק מעוצבים הממופים למבנה תלת -ממדי מייצג (PDB: 7BNN). צביעה מציינת את התדירות שבה הוטל שאריות נתונות על פני כל המבנים המעוצבים.
בממוצע, דוקרנים מעוצבים ב- EVE-VAX הציגו הפחתה פי 1.9 (עם טווח של פי 0.5 עד 5.31 פי) בטיטר ממוצע גיאומטרי של ID50 ביחס לגרסת האב. מבנים מעוצבים ב- EVE-VAX על רקע מסוים הראו התנגדות נטרול דומה או בריחה של נוגדנים בהשוואה לגרסאות SARS-COV-2 שהתפתחו באופן טבעי מאותם רקע. לפיכך, מבנים אלה יכולים לשמש פרוקסים שימושיים לאבולוציה עתידית של SARS-COV-2.
מבני EVE-VAX הצליחו להחזיר מחדש פרופילים אנטיגניים הדומים לגרסאות עתידיות תוך שימוש רק בנתונים הקיימים בזמן הופעתם של VOCs. מבני גרסאות קודמים הראו דמיון אנטיגני לגרסאות מתעוררות מאוחרות יותר במהלך המגיפה. לדוגמה, תכנון B.1-Backland אחד (B.1-4A) הראה ירידה פי 3.9 ברגישות לנטרול ביחס ל- B.1, ועולה על ההתנגדות של גרסאות אלפא, דלתא וגמא. יתר על כן, Ba.2.12.1-5A מעוצב קונסטרוקציה חיקתה את הנטרול של Ba.2.75, שהופיעו מאוחר יותר, ועיצובים של XBB המכילים את המוטציות L452R או S494R דמו לפרופיל הנטרול של HV.1 המכיל L452R.
המבנים שימשו להערכת חיסון B.1-BA.4/5 חיסון נגד בוסטר דו-שוויני וטיטרים גבוהים כנגד התואר הראשון. צוין מגוון של בריחת נוגדנים בנוגע למבנים שתוכננו ב- BA.2.75 ו- XBB. בעת הערכת חיסונים נגד חלקיקים, הם עוררו טיטרים מנטרלים גבוהים יותר נגד גרסאות SARS-COV-2 עתידיות בהשוואה למאיציית mRNA דו-ערכית.
לבסוף, הושוו גישות ניסיוניות וחישוביות לחיזוי מוטציות מגיפה ויצירת מבני בריחה חיסוניים. שתי הגישות הצליחו לאתר עמדות שהוטלו לעיתים קרובות בקצב גדול יותר במהלך המגיפה מאשר בחירה אקראית. שיטות חישוביות יכולות לזהות את מרבית מוטציות הבריחה שנמצאות בעיצובים ניסיוניים על ידי התאמת סף הגילוי של EVE-VAX. נהפוך הוא, נתונים ניסיוניים לא היו ככל הנראה זיהו את המוטציות הייחודיות הקיימות במבנים VE-VAX, ומוכיחים את הפוטנציאל של EVE-VAX כגישה אלטרנטיבית או משלימה לשיטות ניסוי בעלות תפוקה גבוהה.
מגבלות מוכרות
אמנם ממצאים אלה מבטיחים, אך החוקרים הדגישו בעיתון כי שיטת ה- EVE-VAX, במתכונתה הנוכחית, מתמקדת בעיקר בנטרול נוגדנים. טרם שולבו היבטים מכריעים כמו חסינות בתיווך T-CELL, החשוב להגנה לטווח הארוך. בנוסף, ההצלחה של גישות חישוביות אלה תלויה בנתוני רצף אבולוציוניים מספקים לאימוני מודל יעילים. ההכללה של שיטה זו לכל האנטיגנים הנגיפיים והפוטנציאל לשימוש לרעה בטכנולוגיות חזויות מצדיקות גם שיקול דעת קפדני וחקירה נוספת.
מסקנות
לסיכום, כלי ה- AI EVE-VAX הוכיח את יכולתו לחזות ולעצב חלבונים ויראליים שיכולים להופיע בעתיד. מבנים מעוצבים אלה עוררו תגובות חיסוניות דומות הנוגעות לנגיף SARS-COV-2, כפי שצוין בחלבונים ויראליים בפועל שהופיעו במהלך המגיפה. EVE-VAX יכול להקל על פיתוח חיסונים וטיפול טיפולי כדי להגן מפני גרסאות עתידיות של וירוסים המתפתחים במהירות.
