超级计算机与快速治疗试验,能否阻遏新冠病毒的传播速度?

作者:IEEE   来源:至顶网计算频道    2020-03-19 16:11:27

关键字: 新闻 超级计算机

COVID-19病毒的变异速度快,还是人类技术储备的发展速度快?这是一场高风险、高回报的军备竞赛。

COVID-19病毒的变异速度快,还是人类技术储备的发展速度快?这是一场高风险、高回报的军备竞赛。

超级计算机与快速治疗试验,能否阻遏新冠病毒的传播速度?

根据超级计算机的计算,某种化合物(某中灰色部分)可与SARS-CoV-2刺突蛋白(以青色显示)结合,防止后者与人类血管紧张素2(简称ACE2,以紫色显示)受体对接。

超级计算机不仅有望开发出可行的抗病毒疗法,快速进行其他前瞻性疗法的实验室测试,同时也将为新疫苗的开发提供巨大助力——这一切除了遏制当前疫情爆发态势,也将给未来可能出现的类似冠状病蔓延提供参考模板。换言之,由超级计算机带来的种种可能性,也许终将赋予人类阻止病毒快速发展传播、甚至扭转流行病管控局面的新力量。(中国近期的病例报告也表明,不少患有严重感染COVID-19的病例出现了所谓「细胞因子风暴」的过度免疫反应,而这种物理现象已经能够通过目前可靠的测试方法与疗法成功治愈。)

作为抵御SARS-CoV-2病毒攻势的重要手段,对潜在疗法的虚拟与现实测试已经成为当前药物与疫苗研究领域的技术重点。与传统药物研发流程不同,当前的研究举措有望在一年左右取得成果,而以往临床研究往往要等上十年才能推出一款正式投放市场的药物产品。

在此期间,超级计算机做出了卓越的贡献,通过模拟针对新冠病毒毒株对可能具有治愈效果的77种现有药物做出一番全面分析。

研究人员们表示,如果用过去的眼光来看,这些初步结果显然不足以被纳入实验室测试阶段。但有了超级计算机的帮助,以往需要数周甚至数月的测试现在可以在几天之内完成全面模拟,从而快速实现对候选疗法的归类总结。

田纳西大学诺克斯维尔分校生物化学、细胞与分子生物学教授Jeremy Smith指出,对新型冠状病毒的基因组测序为疗法探索提供了线索,也让他和另一位研究员Micholas Dean Smith在各自独立的研究当中取得不小进展。

Smith表示,“他们发现新冠病毒与SARS病毒有所关联,很可能就是从SARS演变而来。二者可以说拥有姊妹般的近亲关系。”

两位研究人员利用世界上最快的超级计算机,对新冠病毒与9000种有望具有治愈效果的现有药物化合物进行了详尽的相互作用模拟。在标准计算机上运行此类分子动力学序列可能需要一个月时间,但在橡树岭国家实验室的Summit超级计算机上,整个过程只需要一天。

另外,由于此前已经对SARS病毒产生的蛋白质做出过充分研究,研究人员们在起步之初就掌握了一份丰富且翔实的参考资料,其中很可能就包含SARS-CoV-2新冠病毒蛋白。以此为参照,我们就能了解哪些现有药物足以破坏或者冻结其蛋白质结构。

Smith表示,“我们现在已经了解到所有蛋白质的基本构成。接下来的任务,就是找到能够阻止蛋白质按病毒指令活动的有效药物。”

Smith指出,将原本耗时数年的工作缩短到几个月,使得对各类疗法的批量测试成为可能。首先,自然界的植物与微生物中已经存在成千上万种分子,其中不少早已成为人类饮食中的组成部分。与此同时,制药企业则开发并合成出自然界中不存在的新分子,用以治疗各类人体疾病。

Smith表示,“不少药物已经通过了监管机构的批准,例如美国食品药监局——这意味着它们已经符合安全性要求,可用于治疗某些疾病。但以往的审批周期太过漫长,导致人们的病情遭到延误。更重要的是,审批还仅仅只是第一阶段,如果无法通过,制药企业就只能转而设计新的药物分子。整个过程大概需要10到15年时间,平均投资高达10亿美元。可以想见,如果能够缩短这一研发周期,将给全人类带来怎样的福祉。”

根据Smith的介绍,SARS-CoV-2之所以被称为新冠病毒,是因为病毒外部的蛋白质尖刺与太阳的日冕形状相似,如同延伸出的“冠”。而超级计算机也正是从此处入手。

利用橡树岭国家实验室的Summit超级计算机(目前以每秒0.2百亿亿次处理能力位列全球第一),两位研究人员对新冠病毒与9000种有望具有治愈效果的现有药物化合物进行了详尽的相互作用模拟。

他们最终将其中8000种化合物按照与新冠病毒尖刺蛋白的粘连效果进行了排名。在理想情况下,强烈的粘连效果应该能够阻止病毒感染其他细胞。

Smith解释道,在标准计算机上运行此类分子动力学序列可能需要一个月时间,但在橡树岭国家实验室的Summit超级计算机上,整个过程只需要一天。

他提到,目前他们正与田纳西州大学孟菲斯市健康科学中心及其他实体实验室开展合作,利用真实SARS-CoV-2病毒颗粒模拟测试排名当中表现最好的化合物选项。

正是由于超级计算机上的模拟实验速度极快,Smith表示他们正在考虑加紧推进下一步工作。

“我们一直与实体实验室保持沟通,例如「这种化合物有效,这种化合物无效」、「这种化合物有一部分反应很好,值得借用」之类。未来,我们可能会在适当的时候利用人工智能等技术把目前有效的几种化合物性质关联起来。”

那么,科学家们距离真正的“下一步”还有多远?

“可能是下周、下个月或者下一年,具体取决于我们得到的模拟结果。”

在另一方面,比尔与梅琳达·盖茨基金会则专门为“有望实现”的新型COVID-19治疗方法提供赞助资金,并已经开始帮助计划于下个月开始临床试验的SARS-CoV-2疫苗注射设备开拓销售渠道。(这家开发疫苗的公司在本届宾夕法尼亚州普利茅斯Innovio Pharmaceuticals大会上公布了雄心勃勃的时间表,预计将在今年年底前完成“100万例注射”。)
英国Wellcome与Mastercard也推出了加速器资助计划,他们公布的早期资助项目之一正是由比利时鲁汶雷加医学研究所进行的实体实验室测试。

与Summit超级计算机模拟研究不同,鲁汶雷加医学研究所的主要荛是对具有SARS-CoV-2病毒抗性的15000种化合物(源自已有获批抗病毒疗法)进行快速化学测试。

盖茨基金会的一位官员在采访中表示,他们目前还无法公布与此项研究或加速器计划相关的更多信息。但基金会CEO Mark Suzman做出了如下说明:

“我们对这种新方法带来的进展感到乐观。这一切让我们意识到,此类合作与协同方式将给未来的流行病管控与对抗带来行之有效的指引与支持。”  

    扫一扫

    分享文章到微信


    北京第二十六维信息技术有限公司(至顶网)版权所有. 京ICP备15039648号-7 京ICP证161336号京公网安备 11010802021500号
    举报电话:13070156560 举报邮箱:jubao@zhiding.cn 安全联盟认证