В ИТМО ускорили подбор антибактериальных наночастиц и антибиотиков за счет новой предсказательной платформы

Антибиотики все хуже справляются с инфекциями. Анализ данных о смертности в 204 странах с 1990 по 2021 год показал, что более миллиона человек ежегодно умирали от инфекций, устойчивых к лекарствам, и к 2050 году это число может увеличиться почти до десяти миллионов. Создавать новые препараты против антибиотикорезистентных бактерий долго и дорого, поэтому ученые стараются повысить эффективность уже существующих средств. Один из вариантов — смешивание антибиотиков с серебряными или золотыми наночастицами. Благодаря своему размеру наночастицы легко проходят внутрь бактерии и вызывают их гибель, а в комбинации с антибиотиками усиливают эффективность терапии, снижают побочные эффекты и требуемую дозировку.

Проверка антибактериального эффекта комбинации наночастиц и антибиотиков требует много времени и сил. Сначала ученым нужно подобрать выигрышное сочетание, затем синтезировать его и проверить экспериментально. Весь процесс может занять от нескольких месяцев до года.

Ученые химико-биологического кластера университета ИТМО уже научились определять с помощью ИИ селективно токсичные для патогенных бактерий, но безопасные для полезных микроорганизмов частицы. Сейчас исследователи представили новую работу — создали первую в мире скрининговую платформу, которая предсказывает эффективные комбинации наночастиц и антибиотиков для борьбы с антибиотикорезистентными бактериями. В основе платформы лежат модели машинного обучения и генетические алгоритмы — они ускоряют поиск эффективного сочетания с нескольких месяцев до пары дней. Теперь ученые могут не тратить время и материалы на сотни тестов, а сосредоточиться на проверке лучших вариантов.

«В новом исследовании мы объединили наночастицы с антибиотиками, чтобы усилить антибактериальный эффект. Платформа позволяет использовать меньшие дозы как лекарств, так и наночастиц, снижая риск побочных эффектов. Кроме того, теперь бактериям сложнее развить антибиотикорезистентность, так как им придется адаптироваться к двум разным механизмам действия одновременно — влиянию наночастиц и антибиотиков. Наше исследование поможет быстрее подбирать эффективные сочетания для борьбы с мультирезистентными патогенами, опасными для человека», — рассказал первый автор статьи, аспирант третьего курса химико-биологического кластера университета ИТМО Сусан Джьякхво.

Для новой скрининговой платформы исследователи собрали данные из более 100 научных статей за последние 10 лет о том, как действуют антибиотики и наночастицы по отдельности и в комбинации на разные бактерии. Обработанные данные легли в основу обучения модели машинного обучения и генетических алгоритмов. При этом платформа учитывает множество факторов — размер наночастиц, их форму, свойства антибиотика и вид бактерий.

В итоге скрининговая платформа обнаружила несколько новых сочетаний, которые потенциально могут уничтожить опасные для человека и устойчивые к лекарствам бактерии. Например, сальмонеллу энтерику (Salmonella typhimurium), которая вызывает брюшной тиф, диарею, боли и спазмы в желудке, могут победить золотые наночастицы в сочетании с антибиотиком хлорамфеникол. В борьбе с клебсиеллой пневмонии (Klebsiella pneumoniae), провоцирующей пневмонию и другие заболевания дыхательных путей, поможет комбинация серебряных наночастиц и антибиотика амикацин. Причем для уничтожения обоих патогенов смеси лекарства потребуется меньше, чем наночастиц и антибиотика по отдельности, а значит побочный эффект снизится.

«Мы проверим предсказания платформы в лабораторных экспериментах, проанализируем, как другие большие языковые модели справляются с теми же задачами, и доработаем свою платформу. В перспективе мы планируем представить ее компаниям, синтезирующим лекарства, и заручиться их поддержкой. Также мне хотелось бы расширить функционал платформы. Сейчас мы собрали данные об устойчивых бактериях, опасных для человека. Если добавить к ним данные о патогенных бактериях для животных и сельскохозяйственных культур, мы можем настроить платформу на поиск комбинаций наночастиц и антибиотиков для лечения новых заболеваний», — отметил Сусан Джьякхво.