Corona-AI: Zapřažení síly AI a mobilního superpočítače pro nové využití léků a přizpůsobení potravin v boji proti epidemii koronaviru

V rámci projektu Corona-AI DreamLab tým vedený Dr. Kirillem Veselkovem z Oddělení chirurgie a rakoviny na Imperial College London ve spolupráci s Nadací Vodafone páruje technologie AI na míru, mobilní superpočítače a velká data za účelem nalezení kombinací existujících léků a potravinových molekul podobných lékům, které by pomohly v boji proti pandemii koronaviru.

Probíhající projekt DreamLab založený na crowd computingu již využívá výpočetní výkon tisíců nečinných smartphonů, aby pomohl odhalit protinádorové vlastnosti běžných potravin a léčiv. Nyní se tato síla zpracování přesouvá do boje s koronavirem.

Vedoucí Oddělení chirurgie a rakoviny, profesor George Hanna, zdůraznil význam projektu:

Rychlé šíření akutního respiračního onemocnění (COVID-19) má obrovský negativní dopad na lidské zdraví i globální ekonomiku, což vede k okamžité potřebě lékařských zásahů a opatření týkajících se výživy, aby pomohly zdolat propuknutí nákazy.

Nalezení nových indikací nebo alternativních použití existujících léků (aneb jak naučit staré léky novým kouskům) je atraktivní způsob, jak obejít pomalý a nákladný proces vývoje léčiv zaměřených na léčbu této konkrétní infekční choroby. Při současné pandemii by to mohlo potenciálně zachránit tisíce životů. Lidská strava je bohatá na lékům podobné molekuly, u kterých bylo prokázáno, že hrají roli při prevenci a léčbě virových onemocnění buď tím, jak vzájemně reagují s léčivy, nebo tím, jak samy působí jako „léky“. Tradiční postupy spojené se zkoumáním vlivu jednoho léku nebo potravinové složky by však zabraly příliš mnoho času, než by vůbec mohly mít dopad na tuto krizi.

V současné době je pole pro potenciální léčivě se projevující molekuly z potravy nepředstavitelně široké. Tradiční experimentální metodologie zkoumání vlivu jednoho léčiva nebo potravinové složky na jakoukoli konkrétní virovou infekci trvá měsíce nebo dokonce roky.

Projekt DreamLab: Corona-AI zaujímá radikálně odlišný přístup k tradičním metodám testování. Projekt, jehož motorem je široká veřejnost, kombinuje umělou inteligenci a výpočetní výkon nečinných smartphonů, aby urychlil objev nových antivirových složek v existujících lécích a pomohl hledat antivirové molekuly v potravinách.

Člen týmu DreamLab, profesor Vasilis Vasiliou z Yale School of Public Health, dále zdůraznil význam projektu: „V těchto těžkých dobách může být umělá inteligence v závodu s COVID-19 nesmírně prospěšná. Tým Dreamlab využívá sílu AI ke screeningu schválených léků, které mohou mít potenciál bojovat proti COVID-19, a také k identifikaci složek potravin, které mohou posílit naši imunitu vůči účinkům viru.“

Inovativní síťově řízená umělá inteligence pro změnu použití léků a objevování antivirových molekul v potravinách

Koronaviry nemohou přežít ani se replikovat bez pomoci svých hostitelů. Ve skutečnosti si všechny viry přirozeně vyvinuly sofistikovaný arzenál molekulárních strategií, aby využívaly hostitelské buněčné stavby pro svůj vlastní prospěch, tedy přežití a replikaci. Tyto strategie se opírají o komplexní síť fyzických interakcí mezi proteiny viru a hostitele.

Tradiční paradigma vývoje antivirových léčiv je „jeden lék na jeden cíl virového proteinu“. Tento přístup má několik nevýhod, mezi něž patří mutace viru, která může rychle učinit lék neúčinným nebo nepoužitelným. Místo toho musíme zacílit na celý komplex vzájemného působení mezi virem a hostitelem. I když bylo dosaženo velkého pokroku, je pravděpodobné, že preventivní vakcíny a účinky léků proti proteinovým cílům specifickým pro SARS-Cov-2 budou trpět generováním virových mutací.

Projekt Corona-AI DreamLab, v němž využíváme výhody naší předchozí práce v oblasti rakoviny, „si klade za cíl vybudovat jasnější obrázek toho, která jednotlivá molekula nebo kombinace molekul jsou nejvhodnější pro narušení molekulárních hostitelsko-virových interaktivních sítí nezbytných pro přežití koronaviru, nejen pro přežití jeho specifických proteinů“, říká Dr. Kirill Veselkov. Těmito molekulami mohou být buď existující léčiva (tj. léčiva dosud neznámá nebo použitá pro antivirovou léčbu), nebo molekuly podobné léčivům v potravinách. Výsledky mohou potenciálně osvětlit terapie s využitím kombinací léků spolu se zásahy do stravování proti narušeným hostitelsko-virovým interakčním sítím u lidí.

Algoritmické jádro projektu popsal na Twitteru člen kooperujícího DreamLabu, profesor Michael Bronstein, vedoucí oboru strojového učení a rozpoznávání vzorců na Katedře výpočetní techniky Imperial College London a vedoucí výzkumu grafického učení:

Kombinatorická povaha problému: Proč DreamLab?

Průběh tohoto výzkumu byl původně zpomalen nedostatečným přístupem k superpočítačům. V laboratoři by nebylo možné testovat kombinace tří, čtyř nebo více složek. Řekněme, že existuje 10 000 molekul s různými kombinacemi – a to je bilion možnosti, které je třeba výpočtově „testovat“ na interakcích viru a hostitele kmenů koronavirů, což by bylo na běžném počítači nezvládnutelné. Aplikace DreamLab však využívá strojové učení v mobilní superpočítačové síti k analýze miliard kombinací již existujících léků, molekul založených na potravinách a genetických interakcí, čímž zásadně zkracuje čas potřebný k objevům.

Člen projektového týmu, dr. Reza Mirnezami, odborný kolorektální chirurg z nemocnice Royal Free Hospital, uvedl: „Tým DreamLab pracuje na zapřažení síly AI k identifikaci toho, jak by bylo možné běžně používané schválené léky ‚znovu nasadit‘ ve válce proti COVID-19. Navíc se díváme na to, jak zlepšit výsledky u pacientů COVID-19 pomocí stravování, které nepochybně ovlivňuje imunitu hostitele a střevní mikrobiální odolnost.“

Během této počáteční fáze projektu Corona-AI se zaměřujeme na testování kombinací až dvou molekul stávajících léků nebo molekul podobných lékům v potravinách proti interakcím hostitel-vir u kmenů koronavirů včetně SARS-Cov-2 – což je patogen odpovědný za aktuální pandemii COVID-19. Síť smartphonů 100 000 uživatelů DreamLabu má kombinovaný výkon superpočítače, který dokáže data z této fáze zanalyzovat za zlomek času, který by k tomu potřeboval standardní stolní počítač.

Stáhněte si DreamLab nyní a pomozte nám společně bojovat proti COVID-19.

Dr. Kirill Veselkov; přednášející v oboru výpočetní medicíny a onkologické informatiky, oddělení chirurgie a rakoviny, Imperial College London; odborný asistent v oboru epidemiologie, Yale School of Public Health, USA.

References