Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ χρησιμοποιούν αλγορίθμους μηχανικής μάθησης για την τροποποίηση ανθρώπινων πρωτεϊνών με στόχο τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της ασφάλειας στοχευμένων κυτταρικών και γονιδιακών θεραπειών, μειώνοντας τους κινδύνους ανεπιθύμητης ανοσολογικής αντίδρασης. Λεπτομέρειες της εργασίας δημοσιεύονται σε μια νέα εργασία Cell Systems με τίτλο «Machine-guided dual-objective protein engineering for deimmunization and therapeutic functions».
Επικεφαλής της έρευνας ήταν ο Xiaojing Gao, PhD, επίκουρος καθηγητής χημικής μηχανικής στη Σχολή Μηχανικών του Στάνφορντ και κύριος συγγραφέας της εργασίας. Σύμφωνα με το άρθρο, η ομάδα του Gao χρησιμοποίησε τρία μοντέλα μηχανικής μάθησης για να δημιουργήσει «μια ροή εργασίας για τη δημιουργία αποανοσοποιημένων συστοιχιών δακτύλων ψευδαργύρου για τη στόχευση αυθαίρετων αλληλουχιών DNA». Μέσω της εργασίας τους, ελπίζουν να αναπτύξουν μια εναλλακτική λύση για τις μη ανθρώπινες πρωτεΐνες στις θεραπείες με βάση το CAR-T και το CRISPR, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν ανεπιθύμητες ανοσολογικές αντιδράσεις.
«Θέτουμε το ερώτημα: Γιατί να μην σχεδιάσουμε θεραπείες που να αποφεύγουν τις ανοσολογικές αντιδράσεις από την αρχή;» εξήγησε ο Gao. «Με την πρόοδο των υπολογιστικών εργαλείων, προσπαθούμε τώρα να προβλέψουμε ποιες αλλαγές σε μια πρωτεΐνη θα μπορούσαν να προκαλέσουν ανοσολογική αντίδραση και να προχωρήσουμε μόνο σε σχέδια που είναι λιγότερο πιθανό να απορριφθούν από τον οργανισμό».
Ένας τρόπος για να μειωθεί ο κίνδυνος ανοσολογικής αντίδρασης είναι να ξεκινήσουμε με την τροποποίηση πρωτεϊνών που υπάρχουν ήδη στο ανθρώπινο σώμα. Ο Gao και οι συνεργάτες του επέλεξαν τα δάκτυλα ψευδαργύρου, μια εύκολα διαθέσιμη πρωτεΐνη με κρίσιμο ρόλο στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης, που συνδέεται φυσικά με το ανθρώπινο DNA, καθιστώντας λιγότερο πιθανό να προκαλέσει ανοσολογική αντίδραση. «Το πιο σημαντικό μέρος της εργασίας μας είναι η πρόοδός μας στο σχεδιασμό περιοχών πρόσδεσης DNA με δάκτυλο ψευδαργύρου που μπορούν να στοχεύουν οποιαδήποτε γονιδιωματική περιοχή επιλέξουμε, διατηρώντας παράλληλα χαμηλό προβλεπόμενο κίνδυνο πρόκλησης ανοσολογικής αντίδρασης», εξήγησε ο Eric Wolsberg, διδακτορικός φοιτητής χημικής μηχανικής και κύριος συγγραφέας της εργασίας.
Οι δάκτυλοι ψευδαργύρου που απαντούν στη φύση προσδένονται σε συγκεκριμένες αλληλουχίες στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Για να τα επαναχρησιμοποιήσουν για μια κυτταρική ή γονιδιακή θεραπεία, ο Gao και η ομάδα του χρησιμοποίησαν έναν αλγόριθμο για να προβλέψουν νέους στόχους DNA που θα μπορούσαν να συνδεθούν με συνδυασμούς δακτύλων ψευδαργύρου. Δεδομένου ότι τα δάκτυλα ψευδαργύρου συνήθως συνδέονται μεταξύ τους για να αναγνωρίζουν μεγαλύτερα τμήματα DNA, η ομάδα τα συναρμολόγησε σε συστοιχίες, δημιουργώντας νέες συνδέσεις μεταξύ των μεμονωμένων μονάδων δακτύλων ψευδαργύρου κατά τη διαδικασία.
Ωστόσο, αυτές οι συνδέσεις δημιούργησαν μια επιπλοκή. Επειδή δεν εμφανίζονται φυσικά στο σώμα, οι ερευνητές ανησυχούσαν ότι το ανοσοποιητικό σύστημα θα μπορούσε να τους χαρακτηρίσει ως ξένους και να προβεί σε αντίδραση. Για να λύσουν αυτό το ζήτημα, χρησιμοποίησαν έναν δεύτερο αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που είχε σχεδιαστεί για να κάνει προβλέψεις σχετικά με την ανοσογονικότητα των συνδέσεων των πρωτεϊνών ψευδαργύρου στα εμβόλια κατά του καρκίνου. Τον χρησιμοποίησαν για να ελέγξουν για σχέδια διασταυρώσεων που θα απέφευγαν την ανοσολογική ανίχνευση, καθώς αυτά θα ήταν πιθανότατα ασφαλέστερα.
Η χρήση και των δύο μοντέλων οδήγησε σε λειτουργικές συστοιχίες δακτύλων ψευδαργύρου με περιορισμένη αποτελεσματικότητα.
Για να βελτιώσει τη λειτουργικότητα των σχεδίων χωρίς να διακυβεύσει τη μειωμένη ανοσογονικότητά τους, η ομάδα εφάρμοσε ένα μοντέλο πρωτεϊνικής γλώσσας για να κάνει στοχευμένες μεταλλάξεις που θα οξύνουν την απόδοση των δακτύλων ψευδαργύρου. Χρησιμοποίησαν τον δεύτερο αλγόριθμο για να δοκιμάσουν τις επεξεργασμένες συστοιχίες για να διασφαλίσουν ότι οι αλλαγές δεν εισήγαγαν νέες ανοσογόνες ιδιότητες. «Προχωρήσαμε μόνο με μεταλλάξεις που πέρασαν και τα δύο τεστ -υψηλή λειτουργικότητα και χαμηλή ανοσογονικότητα», δήλωσε ο Gao.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες συνέκριναν τις τροποποιημένες πρωτεΐνες δακτύλων ψευδαργύρου με τις πρωτότυπες χρησιμοποιώντας τόσο προβλέψεις βάσει υπολογιστή όσο και δοκιμές στο εργαστήριο. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι οι αρχικές πρωτεΐνες αύξησαν την παραγωγή ανθρώπινων γονιδίων κατά δύο έως έξι φορές, ενώ οι πρωτεΐνες με ενισχυμένη τεχνητή νοημοσύνη αύξησαν περαιτέρω την παραγωγή κατά δύο έως έξι φορές στις εργαστηριακές δοκιμές.
