Исследователи из Университета ИТМО представили первую в мире скрининговую платформу, способную предсказывать эффективность комбинаций антибиотиков и наночастиц в борьбе с устойчивыми к лекарствам бактериями. Эта разработка способна сократить поиск действенных сочетаний с нескольких месяцев до считанных дней, открывая новые пути для создания препаратов против опасных патогенов.
Проблема антибиотикорезистентности приобретает глобальный масштаб. Ежегодно инфекции, вызванные устойчивыми бактериями, уносят жизни более миллиона человек, и прогнозы указывают на возможный рост этой цифры до десяти миллионов к 2050 г. Поиск новых антибиотиков — процесс долгий и дорогостоящий, поэтому ученые активно исследуют способы повышения эффективности существующих препаратов. Один из перспективных подходов — комбинирование антибиотиков с наночастицами серебра или золота. Благодаря своим крошечным размерам наночастицы способны проникать внутрь бактериальных клеток, вызывая их гибель, и при этом усиливать действие антибиотиков, позволяя снижать дозы и уменьшать побочные эффекты.
Однако традиционный поиск и проверка эффективных пар «антибиотик + наночастицы» — крайне трудоемкий процесс, требующий подбора, синтеза и экспериментальной проверки каждой комбинации, что может занимать до года. Новая платформа, разработанная в ИТМО, кардинально меняет ситуацию. В ее основе лежат модели машинного обучения и генетические алгоритмы, обученные на обширной базе данных, собранной из более чем 100 научных публикаций за последнее десятилетие. Эта база включает информацию о воздействии как отдельных антибиотиков и наночастиц разного размера и формы, так и их комбинаций на различные виды бактерий.
Платформа анализирует множество параметров — характеристики наночастиц (размер, форма), свойства антибиотика и тип целевой бактерии — и быстро выявляет наиболее перспективные комбинации. Ключевыми преимуществами подхода являются возможность использования меньших доз компонентов для снижения токсичности и затруднение развития устойчивости у бактерий, которым приходится одновременно противостоять двум разным механизмам воздействия.
«Мы использовали генетический алгоритм для скрининга комбинации лекарственного средства и наночастиц. Алгоритм генерирует случайную комбинацию лекарств и наночастиц, а затем незначительно изменяет их свойства. Если изменение улучшает синергетическую активность, они будут дополнительно модифицированы для достижения максимальной эффективности; если же изменения приведут к снижению синергетической активности, эти образцы будут удалены», — рассказал корреспонденту «Научной России» первый автор статьи, аспирант третьего курса химико-биологического кластера университета ИТМО Сусан Джьякхво.
Уже на этапе тестирования система предложила несколько новых потенциально эффективных комбинаций против опасных для человека лекарственно-устойчивых бактерий. Например, против возбудителей тифа или тяжелых желудочно-кишечных инфекций предсказана эффективность золотых наночастиц с антибиотиком хлорамфениколом, а против патогенов, вызывающих пневмонию, — серебряных наночастиц с амикацином. Во многих случаях комбинация требует меньших доз каждого компонента по сравнению с их раздельным применением.
«Основной проблемой при разработке является зависимость синергетической активности комбинации наночастиц и лекарств с их токсичностью. Токсичность препарата и одной наночастицы по отдельности может радикально отличаться от их совместной токсичности. Поэтому мы создаем отдельный меньший набор данных и обучаем отдельные модели для прогнозирования токсичности наночастиц и препарата в отдельности. Затем, используя эти прогнозируемые значения, мы обучаем модель», — добавил Сусан Джьякхво.
Перспективы разработки включают лабораторную экспериментальную проверку предсказаний платформы и ее дальнейшее совершенствование, в том числе с использованием других языковых моделей. Исследователи также планируют расширить функционал системы, включив данные о патогенах, опасных для животных и сельскохозяйственных культур, и в перспективе предложить платформу фармацевтическим компаниям для ускорения разработки новых эффективных терапевтических средств. Работа поддержана грантом Минобрнауки России и опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник фото: ru.123rf.com
