Trí tuệ nhân tạo giúp bào chế vaccine 'thần tốc'

Có thể tiêm mũi 2 vaccine Moderna cho người đã tiêm mũi 1 là Pfizer hoặc AstraZeneca
Sử dụng thảo dược trong hỗ trợ điều trị Covid-19, hiệu quả đến đâu?

Hiệu quả của vaccine với các biến thể mới

Các biến thể virus mới của SARS-CoV-2 liên tục xuất hiện. Đây là một quá trình tự nhiên xảy ra khi virus sao chép. Vật liệu di truyền của nó được sao chép và các lỗi được gọi là đột biến có thể phát sinh khi vật liệu di truyền được sao chép. Ước tính trung bình SARS-CoV-2 phát triển khoảng hai đột biến mỗi tháng.

Dựa trên những đột biến này, các dòng virus có thể được phân biệt về mặt di truyền với nhau. Hầu hết những thay đổi này không có lợi cho virus. Tuy nhiên, một số ngoại lệ sẽ mang lại khả năng sinh tồn tốt hơn cho virus. Chẳng hạn như một số biến thể mới dễ lây lan hơn. Tuy nhiên, cách chúng lây nhiễm vào tế bào người vẫn như cũ.

Một số biến thể virus mới hiện có là dòng B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta), P.1 (Gamma) và B.1.617.2 (Delta), được tìm thấy lần lượt đầu tiên ở Anh, Nam Phi , Brazil và Ấn Độ. Đáng lưu ý, ngày 26-11, biến thể mới B.1.1.529 (Omicron) đã được Tổ chức Y tế thế giới (WHO) xác định là biến thể đáng quan ngại. Biến thể Omicron có tới 32 đột biến ở protein gai (thành phần giúp virus bám vào tế bào cơ thể), là biến thể nhiều đột biến nhất của virus SARS-CoV-2. Biến thể Delta chỉ có 10 đột biến ở protein gai.

Các nghiên cứu ban đầu cho thấy vaccine của Moderna, Pfizer/Biontech, Johnson & Johnson và AstraZeneca cũng có hiệu quả chống lại biến thể Alpha. Hiện đang có những nghiên cứu chuyên sâu hơn về cách vaccine hoạt động chống lại các biến thể virus mới. Các vaccine vector và vaccine mRNA có thể được thay đổi tương đối nhanh chóng và dễ dàng để có thể thích nghi với các biến thể virus mới nếu cần thiết.

Theo những thống kê và báo cáo hiện tại, vaccine phòng Covid-19 mRNA Comirnaty (BioNTech/Pfizer) và Spikevax (Moderna), cũng như vaccine Vaxzevria (AstraZeneca) mang lại hiệu quả cao khoảng 90% chống lại dịch bệnh Covid-19 nghiêm trọng (bệnh nhân cần phải điều trị tại bệnh viện) và hiệu quả khoảng 75% chống lại nhiễm trùng SARS-CoV-2 có triệu chứng với Delta.

Thông tin về tính hiệu quả này dựa trên một đánh giá có hệ thống trực tiếp đã được thực hiện bởi STIKO (Ủy ban tiêm chủng của Đức) kể từ tháng 1-2021. Các bằng chứng về hiệu quả của việc tiêm vaccine chống lại các bệnh nhiễm trùng với biến thể Delta và chống lại Covid-19 được nghiên cứu, xử lý, cập nhật liên tục và có hệ thống.

Các nước nâng cao cảnh giác trước trước sự xuất hiện của biến thể mới. Ảnh minh họa: European Pharmaceutical

Vaccine giúp giảm tỷ lệ trở nặng khi mắc Covid-19

Khả năng mắc bệnh nghiêm trọng với virus SARS-CoV-2 ở những người đã được tiêm chủng đầy đủ thấp hơn khoảng 90% so với những người chưa được tiêm chủng.

Chẳng hạn như hãy tưởng tượng rằng trong một khu vực phát hiện nhiều trường hợp bị nhiễm Covid-19, có khoảng 20 trường hợp trên 1000 người. Nếu một phần dân số ở khu vực này được tiêm chủng, 20 trong số 1.000 người chưa được tiêm chủng sẽ mắc Covid-19 nhưng chỉ có khoảng 2 trong số 1.000 người được tiêm chủng. Nếu một người đã được tiêm vaccine phòng Covid-19, tiếp xúc với mầm bệnh thì khả năng cao là họ sẽ không bị bệnh nặng.

STIKO cũng đưa ra một số thống kế khác, được dựa trên các số liệu thu thập theo thời gian thực của hệ thống y tế Đức. Hiệu quả của vaccine chống lại những triệu chứng nặng của Covid-19 là rất tốt với sự phổ biến của biến thể Alpha, cũng như Delta.

Tuy nhiên, tác dụng của vaccine đối với biến chủng Delta thấp hơn khoảng 10 – 20 phần trăm so với biến chủng Alpha. Khả năng bảo vệ bằng vaccine cũng thể hiện rõ ràng hơn ở người trẻ hơn là người lớn tuổi, bất kể loại vaccine và biến thể virus. Ngoài ra cũng có bằng chứng rõ ràng về việc bảo vệ tiêm chủng giảm dần theo thời gian.

Các giai đoạn phát triển vaccine

Hiện nay, phương pháp tiếp cận mới của vaccine chống lại Covid-19 dựa trên chức năng thiết yếu của mRNA là “chất mang thông tin” tự nhiên mà tế bào cần để sản xuất protein. Quá trình sản xuất này diễn ra trên quy mô lớn hàng ngày trong mỗi tế bào cơ thể nhờ RNA của chính tế bào đó.

Với sự trợ giúp của RNA được cung cấp bên ngoài, các tế bào cũng có thể được kích thích để sản xuất một số protein khác, trong trường hợp Covid-19 là các protein của virus Corona. Sau khi chủng ngừa, hệ thống miễn dịch tạo ra các kháng thể chống lại các protein này, giúp bảo vệ chống lại virus Corona thực sự.

Sự phát triển của vaccine trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Đầu tiên, protein của virus cần được kiểm tra và mô tả về mặt cấu trúc để biết vaccine trông như thế nào. Sau đó, dựa trên dữ liệu này, các vaccine đầu tiên được thiết kế trong phòng thí nghiệm và những ứng cử viên tốt nhất cho các thử nghiệm tiền lâm sàng được chọn. Trong giai đoạn tiền lâm sàng, vaccine được thử nghiệm trong nuôi cấy tế bào và trên mô hình động vật để loại trừ các tác dụng phụ nguy hiểm.

Sau đó, vaccine sẽ được thử nghiệm trên người trong ba giai đoạn lâm sàng. Các giai đoạn này thường chạy lần lượt nhưng trong trường hợp vaccine Covid-19 đôi khi được thực hiện song song.

Trong giai đoạn đầu tiên, các tác nhân được kiểm tra về độ an toàn và khả năng dung nạp. Trong giai đoạn tiếp theo, liều lượng tốt nhất được xác định. Trong giai đoạn thứ ba, hiệu quả của vaccine được xác định trên một số lượng lớn người thử nghiệm tình nguyện (ví dụ như vaccine của Pfizer/Biontech có 44000 người, Moderna có 30.000 người, AstraZeneca có 24.000 người) và các tác dụng phụ được ghi nhận. Nếu có các phản ứng phụ nghiêm trọng và không mong muốn, các nghiên cứu sẽ bị tạm dừng.

Nếu vaccine vượt qua thành công ba giai đoạn lâm sàng này, nhà sản xuất có thể đăng ký để được phê duyệt. Sau khi được phê duyệt, các tác dụng phụ được thu thập liên tục và có hệ thống và được nghiên cứu trong giai đoạn thứ tư tiếp theo.

Các tiến bộ trong phát triển vaccine phòng Covid 19

Vaccine mRNA có thể được sản xuất nhanh chóng và cũng nhanh chóng được sửa đổi nếu điều này trở nên cần thiết do các đột biến trong virus. Các sản phẩm không chứa bất kỳ chất độc hại hoặc động vật từ quá trình sản xuất. Ngoài ra, vaccine phòng Covid 19 cũng không cần bất kỳ loại virus nào để vận chuyển vật chất di truyền vào tế bào con người.

BioNTech và Pfizer đã phát triển Comirnaty (BNT162b2), vaccine đầu tiên trên thế giới chống lại Covid-19 được phê duyệt trong quy trình thử nghiệm thường xuyên.

Trong thử nghiệm lâm sàng với hơn 44.000 đối tượng thử nghiệm, vaccine cho thấy tỷ lệ hiệu quả hơn 95% và không có tác dụng phụ nghiêm trọng. Dựa trên kết quả của cuộc thử nghiệm, Comirnaty đã nhận được sự chấp thuận khẩn cấp vào ngày 2-12-2020 tại Anh và ngày 11-12 ở Mỹ. Ủy ban châu Âu đã chấp thuận vào ngày 21-12-2020 sau khi hoàn thành thủ tục thử nghiệm thường xuyên đầu tiên trên thế giới. Vaccine hiện đã được sử dụng ở nhiều quốc gia.

Theo WHO, hiện tại đang có 280 công trình phát triển vaccine chống lại virus Corona được thực hiện trên toàn thế giới. 97 ứng viên vaccine hiện đang trong nghiên cứu lâm sàng (giai đoạn 1-3), 183 ứng viên đang được thử nghiệm trong các nghiên cứu tiền lâm sàng.

Đối mặt với đại dịch Covid 19, các nhà khoa học đã nhanh chóng phát hiện ra nguyên nhân gây bệnh là virus SARS-CoV-2, thuộc nhóm virus Corona. Các virus Corona khác như MERS và SARS đã được biết đến, do đó các nhà nghiên cứu không phải bắt đầu lại từ đầu.

Các nhà sản xuất đã có thể hưởng lợi từ những kiến thức trước đây vì nghiên cứu chuyên sâu đã được thực hiện trên virus Corona, chẳng hạn như SARS-CoV-1.

Công nghệ dựa vào vaccine vector và vaccine mRNA cũng không phải là mới. Nó đã được khám phá và ứng dụng trong vài thập kỷ trước. Ngoài ra, trí tuệ nhân tạo (AI) cũng tạo ra cách mạng hóa khoa học và giải quyết một số vấn đề phức tạp nhất trong sinh học hiện đại. Tất cả những yếu tố trên đã giúp giảm đáng kể thời gian phát triển và triển khai tiêm vaccine ở diện rộng.

AstraZeneca là một trong những đơn vị góp nguồn cung vaccine Covid-19 lớn nhất thế giới, cũng đi đầu trong áp dụng AI để tăng cường sản xuất vaccine. Ảnh: Sky News

Trí tuệ nhân tạo giúp bào chế vaccine thần tốc

Quan trọng nhất, việc tìm hiểu cấu trúc của các protein giúp mở khóa bí mật của tế bào và các bệnh liên quan đến chúng. Thực nghiệm xác định hình dạng của protein là một quá trình lâu dài và gian khổ, đòi hỏi nhiều tháng nghiên cứu và rất nhiều nỗ lực.

Tuy nhiên, thông tin này rất quan trọng trong việc nghiên cứu các loại virus mới, hiểu được hành vi của chúng và phát triển các loại vaccine hiệu quả. Khả năng dự đoán cấu trúc protein của các nhà khoa học với sự trợ giúp của trí tuệ nhân tạo không chỉ giúp quá trình này diễn ra nhanh hơn mà còn chính xác hơn.

Nhờ những tiến bộ gần đây trong trí tuệ nhân tạo, người ta có thể dự đoán cấu trúc ba chiều của các protein mục tiêu rất phức tạp với độ chính xác cao. Một cột mốc quan trọng đã đạt được khi AlphaFold2, hệ thống AI của công ty DeepMind có trụ sở tại London (thuộc sở hữu của Google từ năm 2014), có thể xác định một số cấu trúc protein của SARS-CoV-2, một loại virus đã được sử dụng cho đến khi bây giờ, trong một thời gian rất ngắn, rất ít người biết đến trong vài tháng.

Công việc không mệt mỏi của các nhà nghiên cứu và sự hợp tác ở cấp độ quốc tế – với sự trợ giúp của các công nghệ AI mới nhất như của DeepMind – đã giúp nó có thể phản ứng nhanh chóng với đại dịch.

Các nhà khoa học y sinh xem thời điểm này là một bước ngoặt của khoa học. Thành công của DeepMind còn có được nhờ những tiến bộ đạt được trong thập kỷ qua trong lĩnh vực sinh học cấu trúc có sự hỗ trợ của máy tính.

(*) Viện Công nghệ Dược sinh học, Đại học Marburg, Đức

TS. Tạ Thanh Sơn (*)