Công cụ AI mới dự đoán các đột biến của virus để giúp phát triển vắc xin COVID trong tương lai

Các nhà nghiên cứu đã phát triển EVE-Vax, một công cụ thiết kế dựa trên tính toán giúp tạo ra các protein gai tổng hợp của virus SARS-CoV-2, mô phỏng các biến thể trong tương lai có khả năng né tránh miễn dịch. Những protein này cho phép đánh giá hiệu quả của vắc xin từ sớm, trước khi các biến thể đó xuất hiện ngoài tự nhiên.

Giới thiệu về EVE-Vax và bối cảnh nghiên cứu

EVE-Vax là công cụ thiết kế kháng nguyên dựa trên mô hình tính toán, giúp tạo ra các protein gai tổng hợp mô phỏng biến thể SARS-CoV-2 có khả năng né tránh miễn dịch trong tương lai. Đây là bước tiến mới dựa trên nền tảng EVEscape – một mô hình học sâu từng dự đoán chính xác đột biến né tránh miễn dịch ở nhiều virus như cúm, HIV, Lassa và SARS-CoV-2.

Hiện nay, các chiến lược đánh giá hiệu quả vắc xin chủ yếu dựa trên các biến thể đã lưu hành. Điều này khiến vắc xin dễ mất hiệu quả trước các biến thể mới dẫn đến làn sóng lây nhiễm dù đã tiêm ngừa. Các phương pháp thực nghiệm như sử dụng huyết thanh người hoặc bản đồ đột biến thường bị giới hạn dữ liệu và không theo kịp tốc độ tiến hóa virus. Trong khi đó, mô hình tính toán có thể dự đoán sớm và chủ động tạo ra kháng nguyên tương ứng.

Thiết kế và thử nghiệm protein gai bằng EVE-Vax

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng công cụ EVE-Vax để tạo và thử nghiệm các protein gai của SARS-CoV-2 với những tổ hợp đột biến mới. Tổng cộng có 83 phiên bản protein gai mới được thiết kế, mỗi phiên bản chứa tối đa 10 đột biến mới so với biến thể nền, và có những mẫu chứa tới 46 đột biến so với chủng B.1 ban đầu. Trong đó, 57% đột biến nằm ở vùng liên kết thụ thể (RBD) và 40% nằm ở miền đầu N (NTD).

Các mẫu này được phát triển từ 5 biến thể nền gồm B.1, BA.4/5, BA.2.12.1, BA.2.75 và XBB. Những protein gai này được tạo ra dưới dạng virus giả (pseudotype) không có khả năng nhân lên, giúp đánh giá an toàn trong phòng thí nghiệm. Khoảng 90% protein được thiết kế vẫn có khả năng lây nhiễm (dạng virus giả không nhân lên), chứng tỏ tính hiệu quả của thuật toán.

Khi thử nghiệm với huyết thanh từ 9 nhóm bệnh nhân có lịch sử nhiễm và tiêm khác nhau, nhiều protein thiết kế cho thấy mức né tránh miễn dịch tương đương hoặc cao hơn so với các biến thể thực tế từng xuất hiện. Chẳng hạn, mẫu B.1-4a kháng tốt hơn cả Delta và Gamma. Trung bình, các mẫu EVE-Vax làm giảm hiệu giá trung hòa kháng thể gấp 1,9 lần, một số mẫu giảm đến 5,3 lần – cho thấy khả năng dự đoán đột biến mạnh mẽ.

Đánh giá tính ứng dụng và giới hạn nghiên cứu

Các protein được thiết kế bởi EVE-Vax đã được sử dụng để đánh giá hiệu quả của vắc xin tăng cường hai giá B.1-BA.4/5, cho thấy hiệu giá kháng thể cao đối với các biến thể như BA.2.75, BQ.1, BQ.1.1 và XBB – điều này phản ánh khả năng bảo vệ hiệu quả. Ngoài ra, khi so sánh vắc xin dạng hạt nano với vắc xin mRNA, kết quả cho thấy vắc xin hạt nano tạo ra lượng kháng thể trung hòa cao hơn đối với các biến thể trong tương lai.

Nghiên cứu cũng so sánh phương pháp tính toán với các phương pháp thực nghiệm trong việc dự đoán đột biến của đại dịch. Cả hai đều xác định được các vị trí đột biến có tần suất cao hơn so với mức ngẫu nhiên trong đại dịch. Tuy nhiên, phương pháp tính toán (EVE-Vax) có thể phát hiện được hầu hết các đột biến né tránh đã được tìm thấy bằng thực nghiệm nếu điều chỉnh ngưỡng phát hiện của mô hình. Ngược lại, phương pháp thực nghiệm khó có thể nhận biết được các đột biến độc đáo do EVE-Vax tạo ra, điều này chứng minh tiềm năng to lớn của EVE-Vax như một công cụ bổ sung hoặc thay thế cho các phương pháp truyền thống.

Dù kết quả rất hứa hẹn, nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng EVE-Vax hiện nay chỉ tập trung vào khả năng trung hòa của kháng thể, trong khi miễn dịch qua trung gian tế bào T vẫn chưa được tích hợp. Thêm vào đó, hiệu quả của phương pháp phụ thuộc vào độ đầy đủ của dữ liệu tiến hóa di truyền để huấn luyện mô hình. Khả năng mở rộng cho các loại virus khác và rủi ro bị lạm dụng công nghệ dự đoán cũng là những điểm cần được nghiên cứu thêm.

Tóm lại, EVE-Vax đã chứng minh khả năng dự đoán và thiết kế các protein virus có thể xuất hiện trong tương lai. Những protein này tạo ra phản ứng miễn dịch tương tự như các biến thể thực tế từng xuất hiện trong đại dịch. EVE-Vax có tiềm năng trở thành công cụ hữu ích để phát triển vắc xin và phương pháp điều trị đối phó với các biến thể virus tiến hóa nhanh trong tương lai.