AI pomoże w walce z antybiotykoopornością

Przełomowe odkrycia zespołu naukowców z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ oraz Wydziału Informatyki Uniwersytetu w Białymstoku we współpracy z CAMDA i MetaSUB, otwierają nowe możliwości wykrywania antybiotykooporności przy uzyciu sztucznej inteligencji. Mogą zrewolucjonizować strategie zdrowia publicznego, dając nam narzędzia do walki z antybiotykoopornością, zanim stanie się ona globalnym kryzysem – informuje UJ. 

• Badanie „Oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe w różnych mikrobiomach miejskich: odkrywanie wzorców i markerów predykcyjnych” zostało przeprowadzone przez zespoły naukowców z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Wydziału Informatyki Uniwersytetu w Białymstoku, we współpracy z CAMDA (Critical Assessment of Massive Data Analysis) i projektem MetaSUB
• Naukowcy integrując uczenie maszynowe, metagenomikę oraz analizę oporności odkrywają, jak geny oporności przemieszczają się między przestrzeniami miejskimi a szpitalami
• Dzięki nowatorskim badaniom, których wyniki opublikowano 25 stycznia w czasopiśmie „Frontiers" otwierają się nowe możliwości wykrywania antybiotykooporności przy uzyciu sztucznej inteligencji

„Ukryta” wymiana genów przyspiesza powstawanie odpornych superbakterii

Jak czytamy na stronie internetowej UJ geny odpowiedzialne za oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe (ARG - antibiotic resistance genes) nie tylko rozprzestrzeniają się podczas rozmnażania bakterii, ale także poprzez wymianę DNA na trzy różne sposoby: transformację (wchłanianie materiału genetycznego ze środowiska), koniugację (bezpośredni transfer między bakteriami) i transdukcję (za pośrednictwem wirusów).

Ta „ukryta" wymiana genów przyspiesza powstawanie odpornych superbakterii. Mobilne elementy genetyczne (MGE – mobile genetic elements) mają kluczowe znaczenie, sprawiając, że oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe jest jak ruchomy cel, który ewoluuje nie tylko dzięki rozmnażaniu bakterii, ale także dzięki wspomnianym mechanizmom wymiany. Zrozumienie tych procesów jest niezbędne w walce z infekcjami opornymi na leki.

Antybiotykooporność w natarciuCorocznie umiera ok. 5 mln osób zakażonych bakteriami opornymi na antybiotyki – do 2050 r. liczba ta może zwiększyć się do ponad 8 mln. 

Śledzenie drobnoustrojów w przestrzeni publicznej

Naukowcy śledzą ogniska oporności na leki w takich miejscach jak oczyszczalnie ścieków, szpitale, zakłady przetwórstwa mięsnego i miasta, gdzie działalność człowieka sprzyja rozprzestrzenianiu się genów oporności. Światowy rezystom, czyli zbiór wszystkich genów oporności, jest intensywnie badany. Projekty takie jak MetaSUB zajmują się sekwencjonowaniem DNA z przestrzeni publicznych, takich jak stacje metra czy przystanki autobusowe, pokazując, jak oporność na leki przenosi się w miejskim środowisku. Zrozumienie tych mechanizmów jest kluczowe dla kontrolowania rozwoju infekcji lekoopornych.

Założone w 2015 roku konsorcjum MetaSUB skupia klinicystów, naukowców, bioinformatyków i inżynierów z ponad 100 krajów na całym świecie. Zespół nieustannie zbiera próbki środowiskowe z różnych miejsc – miast, wsi, transportu publicznego, metra, kolei oraz systemów kanalizacyjnych. Inicjatorem i koordynatorem krakowskiej edycji tej kampanii jest dr hab. inż. Paweł Łabaj, kierownik Grupy Badawczej Bioinformatyki w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz współzałożyciel stowarzyszenia MetaSUB Europe.

Związek między bakteriami środowiskowymi i szpitalnymi

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Frontiers" przeanalizowano 143 próbki środowiskowe pobrane z miast oraz 145 izolatów bakterii wyizolowanych w szpitalach, sprawdzając ich oporność na leki antybakteryjne. Izolaty, wyhodowane z próbek klinicznych, reprezentują kluczowe patogeny, takie jak Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae i Enterobacter hormaechei.

Jak dalej czytamy w artykule opublikowanym na stronie UJ, porównując markery oporności w bakteriach występujących w szpitalach i w środowisku miejskim, naukowcy ocenili dostępne narzędzia do wykrywania oporności, która ma znaczenie kliniczne. Te odkrycia mogą pomóc wypełnić lukę między nadzorem środowiskowym a infekcjami szpitalnymi, poprawiając wczesne wykrywanie i opracowywanie strategii reagowania.

Musimy chronić antybiotyki – konieczne są zmiany systemowe18 listopada obchodzony jest Europejski Dzień Wiedzy o Antybiotykach. Nadużywane w leczeniu ludzi oraz w rolnictwie i hodowli zwierząt powodują coraz bardziej powszechną lekooporność bakterii. – Jeśli chcemy, by antybiotyki nadal pomagały nam w zwalczaniu infekcji bakteryjnych, musimy je chronić systemowo – apelują naukowcy.

Monitorowanie oporności na antybiotyki w miastach USA

W ramach badania wykorzystano dane metagenomiczne oraz dane dotyczące oporności klinicznej udostępnione przez CAMDA (2023), które posłużyły do opracowania mapy oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe w miastach USA. Próbki, które zostały zebrane w ramach projektu MetaSUB, pochodziły z sześciu miast.

Dzięki tym badaniom naukowcy mogli przeanalizować rezystom (geny oporności na antybiotyki), wirusom (wirusy) i mobilom (mobilne elementy genetyczne) za pomocą różnych technik. Uzyskane dane pomagają w śledzeniu, jak oporność na leki rozprzestrzenia się w miejskim środowisku, co jest kluczowe dla opracowywania przyszłych strategii zdrowia publicznego.

Sztuczna inteligencja w monitorowaniu miejskich drobnoustrojów

Korzystając z uczenia maszynowego i modelowania statystycznego, naukowcy przeanalizowali dane metagenomiczne, aby zbadać, jak oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe rozwija się w środowiskach miejskich.

Wykorzystując klasyfikatory lasu losowego (random forest) oraz narzędzia selekcji cech, takie jak Boruta i MDFS (opracowane przez część autorów publikacji), udało się zidentyfikować kluczowe markery oporności na antybiotyki. Te techniki oparte na sztucznej inteligencji pomogły lepiej zrozumieć dynamikę AMR w miastach, poprawiając precyzję narzędzi służących do profilowania oporności.

Badanie podkreśla kluczową rolę mobilnych elementów genetycznych w rozprzestrzenianiu się oporności, otwierając nowe perspektywy dla przyszłych badań i interwencji w dziedzinie zdrowia publicznego.

Chrońmy antybiotykiNadużywanie antybiotyków w leczeniu ludzi, rolnictwie i hodowli przyczynia się do narastającej lekooporności bakterii, co grozi brakiem skutecznych terapii – z tego powodu co roku umiera około 700 tysięcy osób.

Badania zostały sfinansowane z grantu NCN Sonata BIS (numer grantu 2020/38/E/NZ2/00598). Obliczenia wykonano dzięki PLGrid - ACK Cyfronet AGH, grant numer PLG/2023/016299.