Các nhà khoa học của Đại học Tufts đã sử dụng mô hình "bản đồ tàu điện ngầm" để xác định các hợp chất nhắm vào bệnh Lyme, chỉ ra phương pháp điều trị chính xác hơn trong tương lai. Mô hình do các nhà nghiên cứu tạo ra cho thấy hai loại thuốc hiện có có tiềm năng cho các lựa chọn điều trị chọn lọc hơn. Họ đã phát triển một mô hình trao đổi chất ở quy mô bộ gen, hay còn gọi là “bản đồ tàu điện ngầm”, cho thấy các hoạt động trao đổi chất chính của vi khuẩn gây bệnh Lyme.
Sử dụng bản đồ này, họ đã xác định thành công hai hợp chất nhắm mục tiêu có chọn lọc theo cách duy nhất mà bệnh Lyme lây nhiễm vào vật chủ. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí mSystems vào ngày 19 tháng 10.
Mặc dù cả hai loại thuốc đều không phải là phương pháp điều trị khả thi đối với bệnh Lyme vì chúng có nhiều tác dụng phụ, nhưng việc sử dụng thành công "bản đồ tàu điện ngầm" tính toán để dự đoán mục tiêu thuốc và các phương pháp điều trị hiện có cho thấy rằng có thể phát triển các chất cực nhỏ chỉ ngăn chặn bệnh Lyme mà không chạm vào các vi khuẩn có lợi khác.
Mô hình trao đổi chất ở quy mô bộ gen (GEM) thu thập tất cả thông tin trao đổi chất đã biết của hệ thống sinh học, bao gồm gen, enzyme, chất chuyển hóa và thông tin khác. Những mô hình này tận dụng dữ liệu lớn và học máy để giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế phân tử, đưa ra dự đoán và xác định các quá trình mới có thể chưa được biết đến trước đây hoặc thậm chí trái ngược với các quá trình sinh học đã biết.
Hiện tại, bệnh Lyme được điều trị bằng kháng sinh phổ rộng có tác dụng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh Lyme Acinetobacter baumannii cùng với nhiều loại vi khuẩn khác cư trú trong hệ vi sinh vật chủ và thực hiện nhiều chức năng có lợi. Một số người có các triệu chứng Lyme mãn tính hoặc bệnh Lyme tái phát phải dùng kháng sinh quanh năm, mặc dù điều này đi ngược lại các hướng dẫn y tế và không có bằng chứng nào cho thấy nó có hiệu quả.
"Hầu hết các loại thuốc kháng sinh mà chúng ta vẫn sử dụng đều dựa trên những khám phá được thực hiện cách đây nhiều thập kỷ và tình trạng kháng kháng sinh là vấn đề ngày càng gia tăng đối với nhiều bệnh do vi khuẩn", Peter Gwin, tác giả đầu tiên của bài báo và trợ lý giáo sư về sinh học phân tử và vi sinh tại Trường Y thuộc Đại học Tufts, cho biết. "Kháng kháng sinh là một vấn đề ngày càng gia tăng đối với nhiều bệnh do vi khuẩn. Người ta ngày càng ưu tiên tìm kiếm lượng vết của các chất nhắm vào các con đường cụ thể ở từng vi khuẩn, thay vì điều trị cho bệnh nhân bằng kháng sinh phổ rộng, có thể phá vỡ hệ vi sinh vật và dẫn đến kháng kháng sinh."
Hai hợp chất được xác định bằng mô hình tính toán "Metro Map" là một loại thuốc chống ung thư có tác dụng phụ nghiêm trọng và một loại thuốc trị hen suyễn đã bị rút khỏi thị trường do tác dụng phụ. Cả hai loại thuốc được mô hình xác định đều đã được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và được phát hiện là thành công trong việc tiêu diệt vi khuẩn Lyme - và chỉ trong môi trường nuôi cấy.
"Vi khuẩn Lyme là một trường hợp thử nghiệm tuyệt vời cho một loại thuốc phổ hẹp vì tác dụng của nó rất hạn chế và phụ thuộc nhiều vào môi trường. Điều này mang lại cho nó một lỗ hổng mà các vi khuẩn khác không có", Linden Hu, Giáo sư Miễn dịch học và Giáo sư Sinh học Phân tử và Vi sinh học, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Gwen và các cộng tác viên của cô đã phát triển mô hình tính toán này trong thời kỳ đại dịch COVID-19, khi họ không thể làm việc trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Việc sử dụng mô hình này có khả năng cho phép các nhà khoa học bỏ qua một số bước khoa học cơ bản khó khăn để thử nghiệm và phát triển các phương pháp điều trị nhắm mục tiêu nhanh hơn.
"Bây giờ chúng tôi có thể sử dụng mô hình này để sàng lọc các hợp chất tương tự không có độc tính của thuốc điều trị ung thư và hen suyễn nhưng có khả năng ngăn chặn cùng một phần hoặc một phần khác của quá trình bệnh Lyme", Gwin, người gần đây đã nhận được Giải thưởng Nhà lãnh đạo mới nổi của Tổ chức Bay Area Lyme, cho biết.
Gwen và Hu đang tiến hành các nghiên cứu khác để xác định xem những người có triệu chứng Lyme mãn tính có còn bị nhiễm bệnh hay không hoặc liệu rối loạn chức năng miễn dịch có gây ra các triệu chứng mãn tính hay không. "Tôi có thể tưởng tượng một ngày mà mọi người được điều trị bằng Lyme có mục tiêu trong hai tuần thay vì dùng kháng sinh phổ rộng, được xét nghiệm để xác định không bị nhiễm trùng và sau đó dùng thuốc để chế ngự phản ứng miễn dịch nếu các triệu chứng mãn tính vẫn tồn tại."
"Bản đồ tàu điện ngầm" tính toán tương tự có thể được sử dụng cho các vi khuẩn khác có bộ gen tương đối nhỏ, chẳng hạn như những vi khuẩn gây bệnh lây truyền qua đường tình dục như giang mai và chlamydia, cũng như vi khuẩn rickettsiae gây sốt phát ban ở Rocky Mountain, Gwin nói. Nhóm của Gwen đang nghiên cứu lập bản đồ một số vi khuẩn này.