在机器学习的帮助下，科学家正在努力开发一种可以对所有SARS-CoV-2菌株有效的疫苗
根据古代传说，海格力斯的 12 项劳动之一是消灭一个名为九头蛇的怪物。挑战在于，当海格力斯用剑斩断怪物的一颗头时，两颗头会在原地重新生长。因此，他需要另一种武器，一把火炬，来打败敌人。
这个传说与我们与 SARS-Cov-2 病毒进行三年多的斗争之间存在类比，后者是导致 Covid-19 的病毒。每次科学家认为他们已经控制住了病毒的一种菌株——无论是α、β、δ还是omicron——短时间内就会出现另一种变种或亚变种。
因此，麻省理工学院和其他机构的研究人员正在准备一种针对这种病毒的新策略——一种新型疫苗，与今天使用的疫苗不同，可能可以对抗疾病的所有变体，具有“泛变异性”属性，可以避免每次新菌株进入循环时需要不同的加强针。该团队在今天发表在《免疫学前沿》杂志上的一篇论文中，报告了对小鼠的实验，证明了该疫苗在预防 Covid-19 感染死亡方面的有效性。
病毒疫苗通常通过向免疫系统暴露病毒的一小部分来起作用。这可以创建学习反应，以保护人们在以后接触实际病毒时。标准 Covid-19 疫苗的前提，例如由 Moderna 和 Pfizer 生产的疫苗，是激活释放中和抗体的免疫系统的一部分。他们通过向细胞提供制造刺突蛋白的指令（以 mRNA 分子的形式）来实现这一点——这是一种在 Covid-19 病毒表面上发现的蛋白质，其存在可以触发免疫反应。麻省理工学院电气工程和计算机科学以及生物工程教授兼《前沿免疫学》论文的合著者 David Gifford 表示：“这种方法的问题在于目标不断变化”——刺突蛋白本身可以在不同的病毒菌株之间变化——“这可能使疫苗无效”。
因此，他和他的同事采取了不同的方法，选择了疫苗的不同目标：激活释放“杀手”T细胞的免疫系统的一部分，这些 T 细胞会攻击受病毒感染的细胞。这种类型的疫苗不会防止人们感染 Covid-19，但它可以防止他们患重病或死亡。
这个团队的一个关键创新——其中包括麻省理工学院、德克萨斯大学、波士顿大学、塔夫茨大学、马萨诸塞州普通医院和 Acuitas Therapeutics 的研究人员——是将机器学习技术引入疫苗设计过程中。这个过程的关键方面涉及确定应该将哪些 SARS-Cov-2 的部分，哪些肽（构成蛋白质的氨基酸链），放入疫苗中。这需要对病毒中的成千上万个肽进行筛选，仅选出应该被纳入的 30 个左右。
但是，该决策必须考虑到所谓的 HLA 分子——细胞表面上的蛋白质片段，它们作为“广告牌”告诉免疫细胞（缺乏 X 射线视觉）其他细胞内发生了什么。特定蛋白质片段的显示可以表明，例如某些细胞被 SARS-Cov-2 感染，并应该被清除。
Brandon Carter 是麻省理工学院电气工程和计算机科学系的博士生，MIT 计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）的附属机构，也是这篇新论文的主要作者。机器学习算法被用于解决一组复杂的“优化问题”，Carter 指出，这个过程的最终目标是选择存在于病毒的所有变体中的肽，即“保守的”肽。但是这些肽还需要与具有高显示可能性的 HLA 分子相关联，以便它们可以向免疫系统发出警报。“你希望这在尽可能多的人中发生，以从你的疫苗中获得最大的人口覆盖率，”Carter 说。此外，你还希望每个人都被疫苗多次覆盖，他补充道：“这意味着疫苗中的多个肽被预测会在每个人的某些 HLA 中显示出来。”利用机器学习工具可以显著加快实现这些不同目标的任务。
虽然这触及了该项目的理论端，但最新的结果来自于在德克萨斯大学医学分部加尔维斯顿校区进行的实验，该实验显示了接种疫苗的小鼠产生了强烈的免疫反应。这个实验中的小鼠没有死亡，但它们被“人性化”，意思是它们具有人类细胞中发现的 HLA 分子。Carter 表示：“这项研究为真实的生物系统——实际的小鼠——提供了证明，即我们使用机器学习设计的疫苗可以预防 Covid 病毒。”Gifford 将他们的工作描述为“第一次实验性证明这种方式制定的疫苗是有效的。”
宾夕法尼亚州费城儿童医院传染病分部的儿科教授保罗·奥菲特（Paul Offit）认为，这些结果令人鼓舞。“很多人想知道未来将采用什么方法制作Covid-19疫苗，”奥菲特说。“鉴于T细胞在保护免受严重Covid-19方面起着关键作用，未来专注于引导最广泛的T细胞反应的疫苗将是下一代疫苗的重要一步。”
在迎来“下一代疫苗”之前，需要进行更多的动物研究和最终的人体研究。吉福德说，疫苗接种的小鼠中有24％的肺细胞是T细胞，“表明它们的免疫系统已准备好对抗病毒感染。”但是他警告说，必须小心避免免疫反应过强，以免造成肺部损伤。
还有其他问题。T细胞疫苗应该替代标准的刺突蛋白疫苗，还是与其结合使用？吉福德说，虽然通过包含T细胞成分来增强现有疫苗是可能的，“但将两个东西放在一起可能不是严格的加法，因为疫苗的一部分可能掩盖另一部分。”
然而，他和他的同事们认为，他们的T细胞疫苗有可能帮助无法产生中和抗体的免疫功能受损个体，因此可能无法从传统的Covid疫苗中受益。他们的疫苗也可能缓解那些在最初感染后仍然携带病毒库的“长期Covid”患者的痛苦。
目前流感疫苗的机制，就像当前的Covid-19疫苗一样，是引导中和抗体产生，但这些疫苗并不总是对不同的流感毒株有效。卡特认为，基于T细胞反应的流感疫苗具有潜力，“因为它们具有全变异性，可能证明更加有效，提供更广泛的覆盖范围。”
他认为，他们正在开发的方法也不仅限于Covid-19或流感，它们可能有一天会应用于癌症。吉福德同意，他说，一种T细胞疫苗——旨在在个体内和最大数量的个体之间最大化免疫保护——可能成为对抗癌症的关键资产。“这不在我们目前的研究范围之内，”他说，“但它可能成为未来工作的主题。”
该研究的其他MIT贡献者包括刘戈和亚历山大·迪米特拉卡基斯。该研究得到了Schmidt Futures和C3.ai数字转型研究所授予大卫·吉福德的资助。