AI模型EVE-Vax提供了关于病毒如何进化及其可能激发的免疫反应的线索。
有效的疫苗显著改变了COVID-19大流行的发展轨迹，预防疾病，减少疾病严重性，并拯救了数百万生命。
然而，五年后，SARS-CoV-2仍在流行，并在此过程中演变成需要更新疫苗进行保护的新变种。
但设计、制造和分发新疫苗需要时间，这就提出了一个重要问题：科学家如何为尚未出现的病毒版本创建疫苗？
一个解决方案来自哈佛医学院、HMS领导的马萨诸塞州病原体准备联盟（MassCPR）和其他机构的科学家团队开发的预测性人工智能模型EVE-Vax。
该新模型于5月8日在《免疫》期刊上描述，利用病毒的进化、生物学和结构信息来预测和设计可能在病原体突变时出现的表面蛋白。研究人员成功地将EVE-Vax应用于SARS-CoV-2，设计出引发与COVID-19大流行期间实际进化蛋白相似的免疫反应的病毒蛋白。
这项部分得到联邦资金支持的研究表明，该模型提供了关于病毒未来进化的有价值信息，并可以用于创建“设计师”蛋白的面板，以评估未来疫苗的保护作用。研究人员希望这种模型最终能够帮助科学家开发更好的疫苗，以应对由迅速变异的病毒引起的病毒爆发和大流行。
“我们展示了如果你能够提前看到一个病毒正在进化的方向，你就可以开始制作未来-proof的疫苗。”第一作者Noor Youssef说，他是HMS马尔克斯实验室疫苗设计预测建模组的科学负责人。
EVE的进化
十多年前，研究共同高级作者Debora Marks，HMS布拉瓦特尼克研究所的系统生物学教授，和她的实验室开始探索他们是否可以利用数百万年的进化遗传信息来预测蛋白质的结构和功能。
在2021年的一篇论文中，研究人员描述了他们基于这个想法创建的AI模型。这个模型被称为EVE（变异效应的进化模型），利用跨物种的大规模进化数据来预测蛋白质是否具有功能。当应用于人类时，EVE能够将基因变异解释为良性或致病性。
随着COVID-19大流行的展开，Marks和她的团队调整了他们的模型以预测病毒行为。
他们构建了EVEscape，将EVE的蛋白质预测能力应用于病毒蛋白。在2023年的一篇论文中，科学家们展示了如果EVEscape在COVID-19大流行开始时就存在，它将能够预测最常见的SARS-CoV-2突变，并发现那些最有可能导致人类感染激增的高风险变种。
EVEscape的成功使研究人员开始思考他们的模型是否也可以预测像SARS-CoV-2这样的快速进化病毒的未来进化。
针对这些病毒的疫苗每年更新，这要求科学家提前一年进行明智的猜测，预测病毒蛋白将如何进化。这可能导致用于设计疫苗的预测病毒版本与最终流行的实际版本之间的不匹配。预测与现实之间的差距可能导致疫苗效果不如与版本更为匹配时的效果。
为了解决这个问题，研究人员开发了EVE-Vax，这是一种可以预测和设计病毒蛋白的模型，这些蛋白可以用于提前指导疫苗开发。
“我们想看看是否可以使用我们的方法来创建完全新的蛋白质，这些蛋白质不仅是功能性的，而且会具有与真实病毒相同的免疫反应。”Youssef说。
预测SARS-CoV-2未来的举动
在他们最新的研究中，科学家们使用EVE-Vax设计了83种全新的SARS-CoV-2“刺突”蛋白版本，刺突蛋白是病毒用于感染人类细胞的主要表面蛋白。每种新版本的刺突蛋白都有多达十种突变的不同组合。
为了测试AI设计蛋白的效果，研究人员与实验同事合作，包括UMass Chan医学院分子医学教授Jeremy Luban，HMS马萨诸塞州总医院医学助理教授Jacob Lemieux，以及贝斯以色列女执事医疗中心的HMS医学副教授Michael Seaman。科学家们在实验室培养皿中进行了实验，使用安全的非复制版本的SARS-CoV-2进行研究。实验确认，携带“设计师”刺突蛋白的病毒能够感染人类细胞，激发的免疫反应与COVID-19大流行期间的真实免疫反应在五个不同时间点上大致匹配。
“这里的基本洞察是，进化告诉你病毒及其蛋白质可能会做什么，以及未来可能会发生什么。”Marks说。
最后，研究人员展示了他们可以轻松而且低成本地工程设计出数百种新的刺突蛋白，这些蛋白可以轻松纳入SARS-CoV-2的疫苗开发中。
“传统疫苗设计使用各种不同的方法，但没有人以前用过这种方法。”Marks说。“EVE-Vax开启了一个潜在应用和疫苗设计的新领域。”
例如，研究人员表明，利用EVE-Vax，他们可以预测COVID-19疫苗针对Omicron变异株的免疫逃逸将会相当显著——这一知识将提醒科学家以不同的方式构建增强疫苗。
“有了EVE-Vax，我们不仅可以预测病毒的突变，还可以预测免疫反应，这在现实情况下更有用。”Marks说。
团队现在正将EVE-Vax扩展到其他病毒，包括禽流感，这在美国及全球越来越严重。
研究人员指出，该模型的一个关键优势在于它可以在信息有限的情况下工作，这使其适用于Lassa和Nipah等研究不足的病毒，以及新出现的病毒。
最终，团队希望EVE-Vax能够为科学家提供有关病毒可能进化的各种方式的重要信息，使他们能够设计出能够保护未来病原体版本的疫苗。
作者、资金、披露
论文的其他作者包括Sarah Gurev、Fadi Ghantous、Kelly Brock、Javier Jaimes、Nicole Thadani、Ann Dauphin、Amy Sherman、Leonid Yurkovetskiy、Daria Soto、Ralph Estanboulieh、Ben Kotzen、Pascal Notin、Aaron Kollasch、Alexander Cohen、Sandra Dross、Jesse Erasmus、Deborah Fuller和Pamela Bjorkman。
这项工作获得了流行病准备创新联盟（CEPI）、MassCPR和国家卫生研究院（R37 AI147868）的资金支持。
Marks是Dyno Therapeutics、Octant、Jura Bio、Tectonic Therapeutic和Genentech的顾问，并且是Seismic Therapeutic的联合创始人。
