重新构想个性化医疗：夏洛特研究人员开发人工智能细胞来设计精准干预措施新闻智慧

Newswise — 经过 10 多年的努力，生物纳米技术和人工智能不断发展的领域的研究人员联合起来，准确预测并最终影响人类免疫系统对下一代疗法的反应。

AI-Cell — 代表人工免疫细胞或人工智能细胞 – 已经投入使用，免费提供给生物医学研究人员，他们可以在设计下一个拯救生命的癌症治疗或疫苗以预防全球疾病的第一步中使用它。

“从本质上讲，AI-cell 是一种像人类免疫细胞一样思考的计算算法，”克莱因科学学院化学教授 Kirill Afonin 博士说。

阿福宁实验室北卡罗来纳大学夏洛特分校不仅处于新兴核酸纳米颗粒研究的中心，而且还与 Drs. 合作率先开发了这种首个人工智能工具。Dobrovolskaia (NCI) 和 Zakharov (NCATS) 团队。

Afonin 现在正与生物科学助理教授 Brittany Johnson 博士以及机器学习和免疫学领域的其他专家合作，以进一步多样化和提高这一能力 人工智能细胞平台。 

最近推出的人工智能工具可以预测基于 RNA 和 DNA 的纳米药物的人类免疫反应，被广泛认为是基因治疗的下一个前沿领域。 

在 AI-Cell 的幕后，核酸纳米颗粒数据本身就具有革命性的前景。研究人员发现了使用实验室构建的核酸（生物聚合物，天然存在于所有活细胞中）来预测并模仿人体对病原体或疾病的正常反应的方法。 

简单地说，核酸纳米颗粒（NANP）在药物或疫苗输送方面非常有效。“如果设计正确，您的身体会将这些人工制造的 NANP 识别为自己的成分，它们可以启动和指导各种生化过程，并帮助从内部解决问题，”Afonin 说。

FDA 已经批准了几种基于核酸的纳米技术。这些基因疗法的进步有一天可能会帮助医生治疗目前无法治愈的癌症或涉及人类中枢神经系统的其他疾病。 

近年来，公众的意识不断增强，尤其是对 mRNA 疗法的认识。 

“mRNA 最近因 COVID-19 而广为人知，”Afonin 说。 

辉瑞和 Moderna 均于 2020 年 12 月开发了信使 RNA 疫苗。这些高效疫苗可促使人体产生冠状病毒抗体，使接种者做好准备，更好地抵御危险病毒。

– 虽然 RNA 被认为是“生命分子”，但合理设计的 mRNA 疫苗确实帮助拯救了数百万人的生命。这种革命性的方法使得编码病毒蛋白并使人类细胞按照外源 mRNA 提供的指令合成它们成为可能。因此，当具有相同蛋白质的病毒出现在我们体内时，免疫系统就已经准备好了。”阿福宁说。 

然而，尽管 mRNA 药物和疫苗（更广泛地说，使用核酸或 NANP 的新兴疗法）激发了乐观情绪，但研究人员在将这些产品从实验室带到医生手中时面临着挑战。 

存在一些常见的障碍，例如资金和对人类患者进行漫长的临床试验过程。但这些有前途的疗法也面临一个特殊的问题——AI-Cell 可以直接帮助解决这个问题。 

“免疫系统是一个非常复杂的过程，”约翰逊说。– 很多时候我们认为免疫反应总是有效的。事实上，这有点像跷跷板，你希望事情保持平衡。” 

“您需要在特定时间达到峰值”并且您希望免疫反应具有特定的品质。然后你希望这个问题得到解决，这样你就可以经历一个康复过程，”约翰逊说。

由于药物或疫苗中的核酸有效地“搭载”在免疫系统上，对抗入侵的病毒或细菌，因此存在引发最终不健康的严重反应的风险。

AI-Cell 通过将已知的核酸纳米粒子组合库（以及相关的免疫反应）直接交到研究人员手中来解决这个问题。有了这些数据，科学家们就可以更好地预测哪些纳米颗粒的成分、结构、形状和数量最能有效地抑制疾病，而不会引起极其负面的免疫反应。

阿福宁说：“我们的伟大想法是开发一种生物分子语言，向我们的身体和免疫系统解释如何揭示和应对某些疾病，并使这项技术变得用户友好、广泛使用、个性化且价格实惠。” 

现在，北卡罗来纳大学夏洛特分校、NCI 和 NCATS 的专家正在扩展 AI-Cell，希望帮助世界各地的实验室和团队更快、更自信地开发革命性药物和疫苗。

“我们正在对其进行改造”

通过可编程信息和能够控制或减少不良副作用的纳米颗粒向细胞传递目标遗传物质是一个特别令人烦恼的提议。

“我们的身体寻找外来核酸的特定序列和方面……它正在寻找有问题的东西，”约翰逊说。– 因此，当我们提供核酸等物质时，您必须小心谨慎，因为这可能会刺激不需要的免疫反应。 –

此外，纳米粒子技术可以实现近乎无限的结构和组合。 

– 特别是对于基于核酸的纳米技术，（AI-Cell）将非常有帮助，因为您可以在两个方向上移动…您可以想象一下，因为患者被诊断出患有某种疾病，您可能会试图获得某种免疫反应。您可以使用这个工具。你可以说，“好吧，我知道我想要什么样的免疫反应——现在我需要向后工作，[确定]我可以使用哪些核酸来实现这一目标，”约翰逊解释道。 

“我们不是从无限的可能性开始，而是将其设计为目标部分。”

AI-Cell 在部署个性化医疗和治疗方面也具有巨大潜力。 

北卡罗来纳大学夏洛特分校校友摩根·钱德勒博士表示，虽然这一前景“遥不可及”，但她和其他人在阿福宁实验室进行的研究正在奠定基础。

2021 年在北卡罗来纳大学夏洛特分校获得博士学位后，钱德勒在 FDA 完成了为期 13 个月的研究金。现在，她在 Mimetas 担任科学家，这是一家位于华盛顿特区郊外的小型生物技术公司。

在她开始担任目前的职务期间，一篇关于 AI-Cell 的同行评审论文（钱德勒担任主要作者）发表在小的，领先的纳米科学和纳米技术期刊。在其中，研究小组深入解释了他们的方法（同类首创），即使用最先进的变压器神经网络来预测免疫活性，从而推进目前对免疫活性的理解。NANP 属性。 – 

这项合作工作利用了从健康人类捐献者新鲜采集的血液中分离出的外周血单核细胞，与传统的动物测试相比，在预测严重的免疫反应（例如细胞因子风暴）时具有更高的准确性。 

在此阶段，使用 AI-Cell 进行查询只需几秒钟即可返回兼容性响应。这可以支持未来基因疗法的设计——不仅可以节省临床前研究的时间，还可以挽救生命。

“理想情况下，我们可以做同样的事情，即在对患者进行治疗之前提取患者的 PBMC，”Chandler 说。“我们可以准确地看到它们对某些事物的反应，然后我们可以选择最好的佐剂，或者最好的治疗方法。实时使用这些检测对于个性化医疗的未来来说可能是令人惊奇的。”

– 扩展无限制 –

为了掌握 AI-Cell 的影响以及在细胞水平上治疗疾病的进展，有助于了解生物技术和纳米技术目标的基础知识。 

DNA 是人体细胞的构建模块或蓝图，而 RNA 则解码该蓝图。 

在基因治疗的背景下，NANP 与人体对病原体和疾病的自然反应协同作用。NANP 之所以有效，是因为药物输送中的核酸可以增强人体的自然防御和自我修复过程。 

了解身体是否需要控制或降低炎症或刺激免疫细胞采取更多行动是一种平衡行为。将合理设计和实验室构建的 NANP 与 AI-Cell 工具相结合，有助于药物和疫苗设计实现这一目标。

提供治疗从癌症到心血管问题和传染病等多种恶性肿瘤的新方法具有巨大的潜力。这包括治疗、诊断和预防性生物医学，例如采用 mRNA 技术的疫苗。 

每组 NANP 的结构参数和理化性质都是独特的，这些参数和理化性质与递送载体​​的类型一起决定了其免疫反应的类型和程度。许多实验药物因细胞因子风暴反应而在试验中失败，细胞因子风暴反应使人体产生极端的免疫反应，这即使不是致命的，也可能是有害的。 

将人类血液免疫细胞数据与 AI-Cell 的预测能力相结合，可以更真实地了解可能的患者免疫反应。 

在记录了近 180 个 NANP 的免疫识别后，Afonin 说：“我们正在做的事情将对科学界和不断发展的领域有巨大帮助。RNA纳米技术y – 该领域现在正在开始蓬勃发展 – AI-Cell 已经成为一个非常动态的平台，没有任何扩展限制。 –

Afonin 和 Johnson 使用乐高积木类比解释了 NANP 和 AI-Cell 的概念。每个块（NANP）都是已知的结构，但将这些块构建成各种形式的选项几乎是指数级的。

阿福宁实验室位于克莱因科学学院有本科生和研究生在两个方面致力于推进 AI-Cell 平台。他们正在调查和实验寻找新的 NANP，检查它们的工作原理，并为 AI-Cell 背后的数据集做出贡献，以便其他实验室可以“测试”或查询数据。 

“我们的工作基本上编译了这个巨大的数据库，以识别我们的 NANP 的所有结构参数和生物活性。这是我们传递给 NCATS（国家转化科学促进中心）实验室的库，以使用其所有计算来构建预测模型专业知识，”钱德勒说。 

她在北卡罗来纳大学夏洛特分校 Afonin 实验室的工作被添加到 AI-Cell 数据库中，用于测试当前学生正在使用的 2D 和 3D 结构。

博士Afonin 实验室的学生 Laura Rebolledo 一直致力于研究纤维状 NANP——用功能适体（阻断剂或粘合剂）装饰的多链分子装置——旨在用于各种生物医学应用。纤维状 NANP 有助于将功能结构排列成嵌入生化指令的单一制剂，并进一步将预期的疗法传递到细胞外或人体细胞内。

雷博莱多来自哥伦比亚，是家里第一个大学毕业生。她说，在申请阿福宁实验室工作之前，她在学术过程中感到迷失。与其他本科生和研究生一起工作的经历为她目前在实验室担任博士职位打开了大门。化学和纳米科学项目的学生。 

一部分她最近的作品由美国化学会 (ACS) 出版应用生物材料六月的日记。Rebolledo 也是 ACS 今年早些时候发表的一篇论文的主要作者ACS 应用材料与接口公司。

– 当我们分析这些纤维状 NANP 时，我们发现它们的适体功能化不仅决定了它们的活性，还改变了它们的免疫识别。我们希望更好地了解这些 NANP 被细胞识别的机制，以及如何将这些知识应用于更有效的药物设计，”Rebolledo 说。“然后我们发现，通过增加每根纤维的官能团数量，我们可以隐形地覆盖它们，以免被负责检测外来核酸的细胞机器的某些部分看到。”

扩展 AI-Cell

Rebolledo 认为北卡罗来纳大学夏洛特分校对本科生研究的支持、导师的推动以及阿福宁实验室的热情文化帮助她实现了自己的目标。

“看到来自相似背景的人们在政府实验室、学术界和工业界取得像今天一样的成功，真是令人大开眼界。阿福宁博士在他的实验室中拥抱多样性，对学生的支持吸引了我来到这个实验室，因为每个研究生的包容性，”她说。 

很快，参与扩展 AI-Cell 的学生数量可能会增加。

Afonin 向美国国家科学基金会提交了 300 万美元的资助提案，以建立一个名为 RNA 纳米技术进步实习生 (TARNAno) 的新中心。在那里，教师将培训北卡罗来纳大学夏洛特分校的研究生使用 NANP 并开展该领域的前沿研究，特别是 NANP 免疫疗法。 

“人工智能细胞的预测能力只会增强，”阿福宁说。——这非常有希望，但肯定还有更多工作要做。这也非常令人兴奋，因为我们的团队将继续努力。还有很多问题需要回答。 –

Afonin 和 Johnson 即将发表的手稿将探讨 AI-Cell 预测 NANP 在人类中枢神经系统 (CNS) 中的免疫刺激的能力。这项工作是与 NCATS、鲍尔州立大学和北卡罗来纳大学夏洛特分校合作完成的。2022 年，美国国家癌症研究所 (NCI)展示 Afonin Lab 的作品国会演讲的封面页上有免疫刺激性 NANP。AI-Cell 及相关研究的资金来自美国国立卫生研究院的国家普通医学科学研究所，奖励编号为 R35GM139587，并得到 NCI 和 NCATS 的额外支持。

术语表 

核酸纳米颗粒 (NANP)：源自 DNA、RNA 或相关化学物质的纳米结构（即小分子平台）。

信使RNA：信使RNA是一种促进细胞蛋白质产生的核酸。

基因疗法：修改或添加基因以消除或治疗疾病或致病基因。

免疫反应：当细菌、病毒或病原体进入时，身体会如何反应。

外周血单个核细胞：外周血单核细胞（来自供体血液），常用于临床或研究环境。

佐剂：通常会提高疫苗的有效性，并可能减少对加强疫苗的需求。

功能适体：当与 mRNA 或合成 DNA 一起使用时，适体可以调节靶蛋白的功能。