Hebben killer superbugs hun kryptonite gevonden?
Een machine-learning algoritme heeft een nieuwe antibioticastam geïdentificeerd die bacteriestammen doodt die resistent zijn tegen alle bekende antibiotica.
En het doet dat op een manier die voor bacteriën onmogelijk is om resistentie tegen te ontwikkelen – waarmee een van de grootste volksgezondheidsproblemen van de 21e eeuw is opgelost.
Het AI-computermodel, ontwikkeld door onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology, kan in enkele dagen meer dan 100 miljoen chemische verbindingen screenen – en is geprogrammeerd om potentiële antibiotica eruit te pikken die bacteriën doden met behulp van andere mechanismen dan die van bestaande geneesmiddelen.
Er zijn verschillende potentiële verbindingen ontdekt, maar één in het bijzonder is een krachtige insectenkiller gebleken.
De wetenschappers hebben het molecuul “halicin” genoemd, ter ere van HAL, het spookachtige AI-systeem uit 2001: A Space Odyssey.
Een van de onderzoekers heeft het “verbazingwekkende” molecuul omschreven als “aantoonbaar een van de krachtigste antibiotica die zijn ontdekt”.
Wetenschappers hebben de neiging om niet te zeggen “zoals, ooit”, maar dat is de strekking van zijn enthousiasme.
De meeste tests werden uitgevoerd in petrischaaltjes.
Om de effectiviteit van het molecuul bij dieren te testen, werden muizen echter blootgesteld aan een uberresistente stam van Acinetobacter baumannii.
Deze bacterie heeft veel Amerikaanse soldaten in Irak en Afghanistan getroffen, en in sommige gevallen ernstige infecties in de longen, het bloed en de hersenen veroorzaakt.
Een toepassing van de nieuwe verbinding heeft de infecties binnen 24 uur volledig opgeruimd.
Zeldzaam goed nieuws
Dit is goed nieuws in een onderzoeksruimte die bijna tot stilstand is gekomen.
Zoals The New Daily onlangs meldde, hebben grote farmaceutische bedrijven de dure jacht op de ontwikkeling van nieuwe antibioticastammen opgegeven – omdat er geen geld mee te verdienen valt – waardoor de wereldbevolking is overgeleverd aan de genade van voorheen behandelbare ziekten.
De Wereldgezondheidsorganisatie heeft bij het ter sprake brengen van deze kwestie gewezen op een gebrek aan broodnodige innovatie in het kleine aantal nieuwe antibioticastammen dat wordt ontwikkeld.
Het MIT-onderzoek is innovatief in die zin dat de verbinding halicine, die eerder als een geneesmiddel voor diabetici werd beproefd, op een nieuwe manier bacteriën blijkt te doden.
Het schijnt het vermogen van de bacteriën te verstoren om een zogenaamde elektrochemische gradiënt over hun celmembranen in stand te houden.
Deze gradiënt is onder andere nodig voor de productie van Adenosinetrifosfaat (ATP) – moleculen die cellen gebruiken om energie op te slaan. Wanneer de gradiënt wegvalt, sterven de cellen.
De onderzoekers suggereren dat dit type dodingsmechanisme voor bacteriën moeilijk resistent zou kunnen worden, wat een prikkelend vooruitzicht is.
“We wilden een platform ontwikkelen dat ons in staat zou stellen de kracht van kunstmatige intelligentie te gebruiken om een nieuw tijdperk in te luiden van het ontdekken van antibiotische geneesmiddelen,” zei Dr. James Collins, een MIT-professor in medische engineering, in een voorbereide verklaring.
Onze aanpak heeft dit verbazingwekkende molecuul aan het licht gebracht, dat misschien wel een van de krachtigste antibiotica is die ooit zijn ontdekt.”
Het juiste AI-model vinden
Dr. Collins zei dat er een “groeiende crisis rond antibioticaresistentie is, en deze situatie wordt veroorzaakt door zowel een toenemend aantal ziekteverwekkers dat resistent wordt tegen bestaande antibiotica, als een anemische pijplijn in de biotech- en farmaceutische industrie voor nieuwe antibiotica.”
Volgens een verklaring van het MIT ontwierpen de onderzoekers hun machine-learning algoritme om te zoeken naar chemische kenmerken die moleculen effectief maken bij het doden van E. coli.
Om dit te doen, trainden ze het model op ongeveer 2500 moleculen, waaronder ongeveer 1700 FDA-goedgekeurde geneesmiddelen en een set van 800 natuurlijke producten.
Toen het model eenmaal was getraind, testten de onderzoekers het op de Drug Repurposing Hub van het Broad Institute, een bibliotheek van zo’n 6000 verbindingen die het onderwerp was van een eerder rapport over nieuwe kankermedicijnen van The New Daily.
Het model pikte de molecule eruit die nu bekend staat als halicine, waarvan werd voorspeld dat hij een sterke antibacteriële activiteit zou hebben en een chemische structuur had die verschilde van alle bestaande antibiotica.
Met behulp van een ander machine-learning model toonden de onderzoekers ook aan dat deze molecule waarschijnlijk een lage toxiciteit zou hebben voor menselijke cellen.
De onderzoekers testten halicine tegen tientallen bacteriestammen die van patiënten waren geïsoleerd en in laboratoriumschaaltjes waren gekweekt, en ontdekten dat het in staat was vele tegen behandeling resistente bacteriestammen te doden, waaronder een meervoudig resistente vorm van tuberculose, en ziekteverwekkers die routinematig ziekenhuisomgevingen teisteren.
In deze studie ontdekten de onderzoekers dat E. coli gedurende een behandelingsperiode van 30 dagen geen resistentie tegen halicine ontwikkelde.
De bacteriën begonnen daarentegen binnen één tot drie dagen resistentie te ontwikkelen tegen het antibioticum ciprofloxacine, en na 30 dagen waren de bacteriën ongeveer 200 maal resistenter tegen ciprofloxacine dan aan het begin van het experiment.
De onderzoekers zijn van plan halicine verder te bestuderen, in samenwerking met een farmaceutisch bedrijf of een non-profitorganisatie, in de hoop het te kunnen ontwikkelen voor gebruik bij mensen.