超级细菌难对付？AI另辟蹊径 筛出了潜在药物
原创 郭怿暄 我是科学家iScientist
亚历山大·弗莱明从细菌培养板上偶然发现的青霉素，揭开了抗生素时代的篇章。那些曾经让医生们手足无措的致病细菌，都被收拾得服服帖帖，创造了医学史上的一个个突破。然而，仅仅92年后的今天，尽管医生手上已经拥有了大把的抗生素，新的难题又出现了——耐药性。
“聪明”的细菌
事实上，耐药性的产生是一个自然进化现象，随着细菌基因的突变，一些细菌产生了抗性基因。当遇到抗生素时，对药物敏感的细菌被杀死，而获得耐药性基因的细菌得以逃脱，并且还可以随着繁殖将这些耐药性传递给自己的后代。
滥用抗生素为人类群体带来了巨大威胁 | Pixabay
但随着人类误用和滥用抗生素的不断加剧，加快了耐药性的形成。当我们得了普通感冒或是流感等病毒性感染疾病，我们不会对父母“吃点消炎药（抗生素）”的叮嘱感到陌生；为了加速饲养禽类的生长速度和预防疾病给动物喂食多种抗生素的新闻也屡见不鲜。然而，这些肆无忌惮为人类群体本身带来了巨大的威胁。
特效药失效了
据世界卫生组织的报道，每个国家都存在抗生素耐药的问题。与感染同类非耐药菌的患者相比，受到耐药菌感染的患者疾病恶化和死亡的风险都明显升高。氟喹诺酮类药物是最广泛用于治疗大肠杆菌引起的尿道感染的药物之一，但是由于大肠杆菌对这类药物耐药性的广泛存在，全世界许多国家中，氟喹诺酮药物治疗已经对超过半数的患者无效。
结核这种古老的传染病，曾因抗生素的使用得到了非常有效地抑制。然而，随着结核分枝杆菌产生耐药性，结核变得顽固难治起来。仅2014年，全球就有约48万例新发耐多药结核病患者，他们对两种以上最强大的抗结核药具有耐药性。相比非耐药结核病，他们的疗程更长，但疗效更差，2014年全球仅一半耐多药结核患者得到成功治疗。此外，105个国家都发现了广泛耐药结核病，即患者对四种以上核心抗结核药产生耐药性，这意味着医生手里的牌已寥寥无几，开发新型抗菌药迫在眉睫。
全球105个国家都发现了广泛耐药结核病 | Pixabay
AI出手
2020年2月，来自麻省理工学院（MIT）的科学家们就在与抗生素耐药性对抗的战役中找来人工智能（AI）帮忙。他们利用一种全新的计算机算法对超过1亿种化合物进行筛选，并根据现有药物不同的作用机理，通过机器学习找到具有杀灭细菌潜能的化合物。
发表在《细胞》上的研究结果表明，他们找到了一种可能真的具有抗菌活性的分子，团队将其命名为“halicin”，这是因为发现药物的AI系统叫“Hal”。这个名字来源于导演斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick）的科幻电影《2001太空漫游》，其中的人工智能电脑就叫HAL 9000。
该AI系统的工作模式 | 参考文献[4]
Halicin在小鼠实验中可以非常有效地治疗肺结核和耐药性肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌感染（包括大肠杆菌和沙门伤寒氏菌）。对于常常引起院内胃肠感染的艰难梭菌（Clostridium difficile）和另一种可以导致血液、尿道和肺感染的耐药菌，这种药物也极其有效。
来自MIT医学工程和科学研究所及生物工程学院的詹姆斯·科林斯（James Collins）教授表示，这个奇妙的分子可能是迄今为止发现的最为强力的抗生素之一。
然而奇怪的是，这种超强抗生素从结构上来看与此前任何一种抗生素，都不像。如果仅凭人类的一己之力，很有可能无法发现这种抗生素，因为它实在是太与众不同了。
抗生素Halicin | 参考文献[4]
来自以色列理工学院的生物学和计算机科学教授罗伊·可首尼（Roy Kishony）认为，这项极具开创性的工作标志着抗生素发现的方式发生了改变，这种改变也可以推广到整个药物发现当中。
在成功找到了Halicin之后，研究团队回到数据库中，利用AI算法找到了更多的潜在候选药。仅在三天之内，就找到了23种，它们在结构上与现有的抗生素不同，并且对人类细胞没有毒性。后续的实验证明，这些分子中至少有8种具有抗菌特性，其中两种尤其强力。最终这些候选药都有可能成为对付超级细菌和抗生素耐药感染的有力武器。
据美国疾病预防和控制中心估计，目前每年在美国至少有280万人，会受到具有抗生素耐药性的细菌感染，其中超过3.5万人会因此死亡。由于越来越多的细菌获得了对传统药物的耐药性，这一趋势不会在短时间内停止。
全球都面临着耐药性带来的巨大的挑战，幸而AI可以帮助科学家们扩充我们现有的抗生素弹药库，让这一问题得以控制。但另一方面，合理地使用抗生素，减缓耐药性的产生，也是我们为自己为有药可医而留下的一条生路。
作者名片
编译：郭怿暄
编辑：悲催的铊宝宝
排版：雷颖
题图来源：pixabay
参考资料：
[1] https://www.iflscience.com/health-and-medicine/artificial-intelligence-finds-a-powerful-new-antibiotic-for-the-first-time
[2] https://www.iflscience.com/health-and-medicine/artificial-intelligence-finds-a-powerful-new-antibiotic-for-the-first-time/
[3] https://www.who.int/zh/news-room/fact-sheets/detail/antimicrobial-resistance
[4] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30102-1#
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