Sau nhiều thập kỷ sử dụng kháng sinh, tác nhân gây bệnh lậu - lậu cầu khuẩn (Neisseria gonorrhoeae) - liên tục phát triển các cơ chế đề kháng, khiến nhiều loại thuốc từng mang lại hiệu quả điều trị nay dần mất tác dụng.

Huấn luyện A.I trên hơn 38.000 hợp chất 

Một nghiên cứu công bố trên Science Translational Medicine trong năm nay cho thấy A.I có thể hỗ trợ phát hiện những hợp chất kháng khuẩn mới có khả năng tiêu diệt lậu cầu khuẩn, kể cả các chủng đã kháng nhiều loại kháng sinh. Kết quả này đã mở ra hướng tiếp cận mới nhằm bổ sung nguồn ứng viên kháng sinh trong bối cảnh cơ hội phát triển thuốc đang thu hẹp dần.

Theo tiến sĩ Melis Anahtar, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, chu kỳ kháng thuốc của lậu cầu khuẩn đã lặp lại nhiều lần trong lịch sử điều trị. Chỉ 5-10 năm sau khi một kháng sinh trở thành lựa chọn điều trị đầu tay, các chủng vi khuẩn kháng thuốc lại xuất hiện và làm giảm hiệu quả điều trị.

Để tăng tốc quá trình phát hiện thuốc mới, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng mô hình học sâu (deep learning) khi lựa chọn sàng lọc kiểu hình (phenotypic screening) thay vì tập trung vào một đích tác động cụ thể của vi khuẩn. Phương pháp này đánh giá trực tiếp khả năng ức chế sự phát triển của lậu cầu khuẩn, qua đó tạo cơ hội phát hiện những cơ chế tác động hoàn toàn mới.

Phương pháp sàng lọc kiểu hình đánh giá trực tiếp khả năng ức chế sự phát triển của lậu cầu khuẩn. Ảnh minh họa: Canva.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm 38.650 hợp chất phân tử nhỏ trên lậu cầu khuẩn trong phòng thí nghiệm, sau đó sử dụng dữ liệu thu được để huấn luyện mô hình A.I. Sau khi hoàn tất quá trình huấn luyện, hệ thống có thể nhanh chóng sàng lọc hàng triệu cấu trúc hóa học và xác định những ứng viên có tiềm năng tiêu diệt vi khuẩn.

Hai nghiên cứu cùng một mục tiêu 

Đáng chú ý, nghiên cứu này thực hiện song song với một công trình khác đăng trên tạp chí Cell năm qua. Nếu nghiên cứu công bố trên Science Translational Medicine sử dụng A.I để sàng lọc các thư viện hóa chất hiện có, thì nghiên cứu trên Cell áp dụng A.I tạo sinh (generative A.I) để thiết kế các phân tử kháng sinh hoàn toàn mới. Hai hướng tiếp cận này cho thấy A.I không chỉ giúp rút ngắn quá trình phát hiện thuốc mà còn mở rộng đáng kể nguồn ứng viên kháng sinh trong tương lai.

Trong hướng tiếp cận mà tiến sĩ Anahtar theo đuổi, sau quá trình sàng lọc, A.I đã xác định hai hợp chất nổi bật là MP20 và A1. Nếu MP20 làm tăng tính thấm của màng tế bào vi khuẩn thông qua một cơ chế chưa được làm sáng tỏ, thì A1 tác động lên enzym alanine racemase, mục tiêu chưa từng được khai thác trong điều trị bệnh lậu bằng các kháng sinh phân tử nhỏ.

Ở hướng tiếp cận sau, nhóm nghiên cứu phát hiện hai hợp chất mới là NG1 và DN1. NG1 cho thấy hoạt tính phổ hẹp chống lại lậu cầu khuẩn, trong khi DN1 được thiết kế để nhắm mục tiêu vào vi khuẩn Staphylococcus aureus nhưng lại thể hiện hoạt tính rộng hơn chống lại lậu cầu khuẩn. Quan trọng hơn, cả hai hợp chất đều hoạt động thông qua các cơ chế khác biệt so với các loại kháng sinh thường dùng và có khả năng giảm lượng vi khuẩn trong các mô hình nhiễm trùng trên động vật.

DN1 được thiết kế để nhắm mục tiêu vào vi khuẩn Staphylococcus aureus. Ảnh minh họa: Canva.

Nhìn chung cả bốn hợp chất đều hoạt động theo cơ chế khác với các kháng sinh hiện hành và giúp giảm tải lượng lậu cầu khuẩn trên mô hình động vật. Ngoài hiệu quả kháng khuẩn, nhóm nghiên cứu cũng đánh giá độc tính trên tế bào người nhằm loại bỏ các hợp chất gây độc không chọn lọc.

Mặc dù các hợp chất này vẫn cần tiếp tục được tối ưu hóa và đánh giá trước khi ứng dụng trên lâm sàng, nhưng những nghiên cứu mới cho thấy A.I có thể hỗ trợ hiệu quả quá trình phát hiện kháng sinh mới, từ sàng lọc các hợp chất hiện có đến thiết kế các phân tử hoàn toàn mới. Đây được kỳ vọng sẽ là hướng đi quan trọng trong cuộc chiến chống kháng kháng sinh.

Theo TSK số 710