Đối với những bệnh nhân mắc bệnh viêm ruột (IBD), việc sử dụng kháng sinh thường giống như một “con dao hai lưỡi”. Các loại thuốc kháng sinh phổ rộng, vốn thường được kê đơn để điều trị các đợt bùng phát viêm ruột, có thể tiêu diệt cả những vi khuẩn có lợi bên cạnh vi khuẩn gây hại. Điều này đôi khi làm cho các triệu chứng trở nên trầm trọng hơn theo thời gian, bởi lẽ trong cuộc chiến chống viêm ruột, chúng ta không phải lúc nào cũng muốn dùng “búa tạ” để diệt “con dao nhỏ”. Thay vì làm suy yếu toàn bộ hệ vi sinh vật đường ruột, điều mà bệnh nhân IBD thực sự cần là một giải pháp nhắm mục tiêu chính xác, loại bỏ mầm bệnh mà không gây tổn hại đến hệ vi sinh vật khỏe mạnh.
May mắn thay, một tia hy vọng mới đã xuất hiện từ những nghiên cứu đột phá. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo (CSAIL) của MIT và Đại học McMaster đã xác định được một hợp chất mới mang tên enterololin. Hợp chất này có khả năng tiếp cận mục tiêu một cách chọn lọc hơn nhiều. Enterololin không chỉ ức chế một nhóm vi khuẩn cụ thể liên quan đến các đợt bùng phát bệnh Crohn mà còn giữ cho phần còn lại của hệ vi sinh vật đường ruột gần như nguyên vẹn. Đặc biệt, quá trình khám phá và hiểu rõ cơ chế hoạt động của enterololin đã được tăng tốc đáng kể nhờ vào sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo (AI), rút ngắn thời gian từ nhiều năm xuống chỉ còn vài tháng. Đây là một bước tiến quan trọng, hứa hẹn mang lại một phương pháp điều trị hiệu quả và an toàn hơn cho bệnh nhân.
AI mở đường cho kháng sinh chính xác: Từ khám phá đến cơ chế hoạt động
Enterololin là một bước tiến lớn hướng tới kháng sinh chính xác – những phương pháp điều trị được thiết kế để loại bỏ duy nhất các vi khuẩn gây rắc rối. Trong các mô hình viêm ruột tương tự bệnh Crohn trên chuột, loại thuốc này đã nhắm mục tiêu vào Escherichia coli (E. coli), một loại vi khuẩn đường ruột có thể làm trầm trọng thêm các đợt bùng phát, trong khi vẫn giữ lại hầu hết các vi khuẩn có lợi khác. Những con chuột được điều trị bằng enterololin đã phục hồi nhanh hơn và duy trì hệ vi sinh vật khỏe mạnh hơn so với những con được điều trị bằng vancomycin – một loại kháng sinh phổ biến. Phát hiện này giải quyết một thách thức cốt lõi trong phát triển kháng sinh: không chỉ tìm ra các phân tử có thể tiêu diệt vi khuẩn trong đĩa petri, mà còn phải hiểu rõ cơ chế hoạt động của chúng bên trong vi khuẩn để phát triển thành liệu pháp an toàn và hiệu quả cho bệnh nhân.
Việc xác định cơ chế hoạt động của một loại thuốc – tức là mục tiêu phân tử mà nó liên kết bên trong tế bào vi khuẩn – thường đòi hỏi nhiều năm thử nghiệm tỉ mỉ. Phòng thí nghiệm của Jon Stokes đã phát hiện enterololin thông qua phương pháp sàng lọc thông lượng cao, nhưng việc xác định mục tiêu của nó sẽ là nút thắt cổ chai. Tại đây, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng DiffDock, một mô hình AI tạo sinh được phát triển tại CSAIL bởi nghiên cứu sinh tiến sĩ MIT Gabriele Corso và Giáo sư MIT Regina Barzilay. Trong vài phút, mô hình đã dự đoán rằng enterololin liên kết với một phức hợp protein gọi là LolCDE, vốn rất cần thiết cho việc vận chuyển lipoprotein ở một số vi khuẩn. Đây là một manh mối rất cụ thể, giúp định hướng các thí nghiệm thực tế.
Nhóm của Stokes sau đó đã đưa dự đoán này vào thử nghiệm. Họ đã phát triển các chủng E. coli đột biến kháng enterololin trong phòng thí nghiệm, và kết quả cho thấy những thay đổi trong DNA của vi khuẩn đột biến khớp với LolCDE, chính xác là nơi DiffDock đã dự đoán enterololin liên kết. Các thí nghiệm khác như giải trình tự RNA và sử dụng CRISPR cũng cho thấy sự gián đoạn trong các con đường liên quan đến vận chuyển lipoprotein, hoàn toàn trùng khớp với dự đoán của DiffDock. Sự đồng nhất giữa mô hình tính toán và dữ liệu thực nghiệm đã củng cố niềm tin vào khám phá này. Với sự hỗ trợ của AI, thời gian xác định cơ chế hoạt động đã được rút ngắn từ 18 tháng đến 2 năm xuống chỉ còn khoảng sáu tháng, với chi phí thấp hơn nhiều.
Khám phá enterololin không chỉ mang lại hy vọng mới cho bệnh nhân mắc bệnh Crohn và các tình trạng viêm ruột khác, mà còn mở ra một kỷ nguyên mới trong phát triển kháng sinh. Việc kết hợp trí tuệ nhân tạo với sự nhạy bén của con người và các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đang đẩy nhanh đáng kể quá trình tìm kiếm và hiểu rõ các loại thuốc mới. Điều này hứa hẹn một thế hệ kháng sinh chính xác hơn, hiệu quả hơn, giúp giảm thiểu tác dụng phụ và đặc biệt quan trọng là chống lại mối đe dọa ngày càng tăng của kháng thuốc kháng sinh. Đây là một bước tiến quan trọng, không chỉ cải thiện chất lượng cuộc sống cho hàng triệu người mà còn định hình lại tương lai của y học.
