Immagine: i ricercatori del MIT hanno utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico per identificare un farmaco chiamato halicin che uccide molti ceppi di batteri. L’alicina (riga superiore) ha impedito lo sviluppo di resistenza agli antibiotici in E. coli, mentre la ciprofloxacina (riga inferiore) no. Immagine: per gentile concessione del Collins Lab al MIT.
Di cosa tratta?
La resistenza antimicrobica è una minaccia che attanaglia il mondo con un gran numero di ceppi di batteri che sviluppano resistenza contro gli antibiotici attualmente utilizzati, rendendo semplici infezioni potenzialmente letali. Sono state fatte ricerche per sviluppare nuovi composti antibiotici per uccidere questi ceppi di batteri resistenti.
I ricercatori del MIT hanno creato un programma per computer in grado di schermare centinaia di milioni di potenziali sostanze chimiche che potrebbero essere antibiotici e scegliere la molecola appropriata. Questa molecola avrebbe le proprietà necessarie per uccidere i ceppi batterici. ” Il meccanismo con cui queste nuove molecole uccidono i batteri è completamente diverso dagli antibiotici attualmente disponibili, rendendoli un’arma più sicura contro le infezioni”, hanno detto i ricercatori.
Il ricercatore capo James Collins, Professore Termeer di ingegneria medica e scienza presso l’Istituto di ingegneria medica e scienza (IMES) del MIT e il dipartimento di ingegneria biologica, ha dichiarato: “Volevamo sviluppare una piattaforma che ci permettesse di sfruttare il potere dell’intelligenza artificiale per inaugurare una nuova era di scoperta di farmaci antibiotici. Il nostro approccio ha rivelato che questa straordinaria molecola è probabilmente uno degli antibiotici più potenti che è stato scoperto“. La ricercatrice del team, Regina Barzilay, Professore Delta Electronics di ingegneria elettrica e informatica nel laboratorio di informatica e intelligenza artificiale del MIT (CSAIL), ha dichiarato: “Il modello di apprendimento automatico può esplorare, in silico, ampi spazi chimici che possono essere proibitivi a causa del costo, per gli approcci sperimentali tradizionali “. Una delle più recenti tecnologie è la cosiddetta sperimentazione in silico, ovvero l’utilizzo di software in grado di predire statisticamente il comportamento e la possibile tossicità di una sostanza chimica. (Una strategia che risparmia la vita di molti animali usati come cavie!). Ciò significa che questo approccio potrebbe aiutare i ricercatori a selezionare le molecole per il loro potenziale antibiotico senza sprecare risorse in caso di fallimento dei test di laboratorio con molecole che potrebbero non funzionare.
Il documento che riporta lo studio è stato scritto da Jonathan Stokes, uno studente post-dottorato presso il MIT e il Broad Institute of MIT e Harvard
Che cosa è stato fatto?
Per questo nuovo studio, il team ha esaminato diverse possibili molecole che l’algoritmo poteva schermare. Ha quindi selezionato le potenziali molecole con proprietà adeguate usando l’IA. “Il modello”, hanno scritto i ricercatori, “potrebbe essere utilizzato per progettare e apprendere le strutture chimiche dei farmaci per produrre nuovi antibiotici”. Dopo aver trovato la probabile molecola candidata, il team l’ha testata in laboratorio negli studi in vitro. Ha quindi replicato le scoperte nei topi di laboratorio infettati da ceppi di batteri. In entrambi gli esperimenti, la molecola candidata ha mostrato un successo significativo.
Per il loro esperimento, i ricercatori hanno prima segnalato al programma per computer le possibili molecole che potrebbero essere mortali per un comune ceppo batterico di E. coli. Il programma ha analizzato 2.500 molecole di cui circa 1.700 molecole sono state già approvate dalla FDA e 800 sono prodotti di derivazione naturale. Una volta addestrato, il programma è stato utilizzato per scansionare 6.000 composti presenti in una biblioteca creata dal Drug Repurposing Hub del Broad Institute.
Da questi 6.000 composti, il programma per computer ha trovato una molecola che aveva una struttura chimica unica, ma che poteva essere letale per i ceppi batterici. Il team di ricercatori ha chiamato la molecola “Halicin“, lo stesso nome del sistema di intelligenza artificiale da “2001: Odissea nello spazio“. Questa molecola è stata inizialmente studiata come farmaco per il trattamento del diabete.
Vedi anche: Individuata nuova molecola organica per la lotta all’antibiotico resistenza
I ricercatori hanno scoperto che l’Alicina è efficace nell’uccidere colonie di batteri coltivate in laboratorio e derivate dal paziente come Clostridium difficile, Acinetobacter baumannii e Mycobacterium tuberculosis che erano difficili da trattare con gli antibiotici convenzionali. Hanno notato tuttavia che i batteri Pseudomonas aeruginosa non rispondevano all’alicina. Successivamente, il team ha infettato topi di laboratorio con Acinetobacter baumannii che di solito era resistente a tutti gli antibiotici conosciuti. I ricercatori hanno usato un unguento di Alicina sui topi e hanno trovato che l’infezione è stata eliminata entro 24 ore. Hanno esplorato il meccanismo dell’azione farmacologica e hanno notato che il farmaco poteva agire alterando i gradienti elettrochimici attraverso le membrane cellulari dei batteri. “Questo meccanismo non è stato studiato prima e quindi potrebbe impedire ai batteri di sviluppare resistenza”, hanno spiegato i ricercatori.
Collins ha spiegato che c’è una crescente necessità di nuove molecole di antibiotici che funzionano in modo diverso per combattere la resistenza agli antibiotici. Ha detto: “Stiamo affrontando una crescente crisi intorno alla resistenza agli antibiotici e questa situazione è generata sia da un numero crescente di agenti patogeni che diventano resistenti agli antibiotici esistenti, sia da una conduttura anemica nelle industrie biotecnologiche e farmaceutiche per lo sviluppo di nuovi antibiotici”. Ha spiegato che questo approccio era stato provato prima, ma senza successo e che questa era la prima volta che un vero farmaco poteva essere sviluppato e testato nei laboratori con ragionevole successo.
Il team prevede di lavorare sull’Alicina e su altre molecole candidate con un’azienda farmaceutica o un’organizzazione no profit, al fine di iniziare le sperimentazioni cliniche e utilizzarle in modo sicuro ed efficace sull’uomo nel prossimo futuro.
Fonte: Cell
