En 2024, plus de 40 millions de personnes dans le monde reçoivent un diagnostic de virus de l'immunodéficience humaine (VIH), une infection chronique potentiellement mortelle qui reste l'une des principales causes de décès dans le monde. Même des décennies après sa découverte, le VIH continue de faire des victimes et de mettre à l'épreuve les systèmes de santé mondiaux, en partie parce que les scientifiques n'ont pas été en mesure de déterminer rapidement quelles approches vaccinales expérimentales fonctionnent en raison d'un volume important de données.
Les scientifiques de Scripps Research ont récemment reçu 1,1 million de dollars du Scripps Consortium for HIV/AIDS Vaccine Development (CHAVD) pour acheter du matériel informatique haute performance afin de relever ce défi de santé mondial. L’équipement sera utilisé pour accélérer l’identification de vaccins candidats contre le VIH plus efficaces grâce à une infrastructure informatique améliorée, à une réduction des goulots d’étranglement dans le traitement des données et à une technologie d’intelligence artificielle (IA) de pointe. Le soutien au CHAVD est fourni par les National Institutes of Health.
Au cours des 10 dernières années, nous avons pu accélérer la génération de données, mais nous ne disposons pas d’un bon moyen d’analyser ces données pour comprendre si ces vaccins fonctionnent bien. Cette nouvelle technologie d'IA renforcera notre capacité à évaluer jusqu'à des millions de modèles de vaccins potentiels dans le temps qu'il fallait pour en étudier quelques dizaines, ce qui nous rapprochera de la recherche d'approches vaccinales plus prometteuses.
Bryan Briney, professeur agrégé à Scripps Research et co-chercheur principal du projet
Développer un vaccin efficace contre le VIH reste extrêmement difficile. Pour fonctionner, il doit entraîner le système immunitaire à produire des anticorps-protéines protectrices capables de neutraliser plus de 90 % des souches de VIH chez plus de 90 % des personnes. En d’autres termes, il s’agit d’une barre exceptionnellement haute qu’aucun vaccin n’a encore atteint. Le défi est dû à la capacité remarquable du VIH à muter, changeant constamment de forme et rendant difficile la reconnaissance et la destruction du virus par le système immunitaire.
L’équipe de Scripps Research espère développer à terme un vaccin à long terme qui s’adapte aux mutations du virus et peut être administré en une seule dose. En attendant, cependant, Briney et ses collaborateurs visent à développer une série de vaccins multiples qui s'adaptent aux changements du virus au fil du temps. Pour relever le défi de la protection contre plus de 90 % des souches du VIH, l’équipe a besoin d’un retour d’informations en temps réel sur les données des essais cliniques qui révèlent les performances du vaccin et éclairent la conception de la prochaine version de la série.
« Nous passons des essais et erreurs à la prédiction intelligente », déclare Andrew Ward, professeur au Département de biologie structurale et computationnelle intégrative et co-chercheur principal du projet. « Au lieu de passer des mois à tester chaque idée de conception en laboratoire, nous pouvons examiner des centaines de milliers de possibilités par calcul, identifier les meilleurs candidats et concentrer notre travail expérimental là où cela compte le plus. »
Dynamiser la science avec l’IA
Ward, Briney et leurs laboratoires utiliseront les fonds pour acheter une nouvelle technologie d'IA qui double la puissance de calcul disponible chez Scripps Research et fonctionne à des vitesses quatre à cinq fois supérieures à celles des systèmes existants. Cette nouvelle bande passante informatique permettra à l’équipe d’analyser rapidement les anticorps produits par les personnes qui reçoivent des vaccins expérimentaux lors d’essais cliniques et de déterminer si elles sont sur la bonne voie avec une précision moléculaire.
« Cette nouvelle ressource exploite une tonne de travail acharné et de créativité de la part des scientifiques de nos laboratoires et je suis impatient de voir jusqu'où ils peuvent étendre la technologie », a déclaré Ward.
Lorsqu'un vaccin est administré, il peut entraîner le système immunitaire à produire des anticorps qui neutralisent un large éventail de souches du VIH, également appelés anticorps largement neutralisants. L’équipe évaluera ensuite ces anticorps induits par le vaccin, testera simultanément plusieurs scénarios et modélisera leur interaction avec le virus au niveau moléculaire, tout en réduisant le temps d’analyse de plusieurs semaines à quelques jours. Les anticorps identifiés comme étant exceptionnellement efficaces contre le virus sont connus sous le nom de « candidats anticorps », qui constituent la prochaine itération du vaccin. Cette puissance de traitement supplémentaire soutiendra également le travail d’autres équipes de Scripps Research travaillant sur différents aspects du VIH, tels que l’ingénierie des protéines, contribuant ainsi à la découverte sous plusieurs angles.
Les équipes formeront d’abord le système d’IA sur les données historiques des essais cliniques des vaccins précédents afin de développer un modèle informatique complet capable d’identifier rapidement les meilleurs candidats anticorps. En laboratoire, les chercheurs examinent souvent les données manuellement et appliquent leur propre réflexion pour déterminer quel anticorps est le plus efficace. Le modèle d’IA s’est toutefois révélé capable d’identifier des candidats prometteurs que les chercheurs avaient initialement écartés.
Pour développer davantage ce cadre d’IA, le groupe exploitera une méthode appelée StepwiseDesign qui, comme son nom l’indique, imite la façon dont le système immunitaire apprend progressivement à développer des anticorps plus efficaces grâce à de petites itérations optimisées.
L’approche s’est déjà révélée remarquablement efficace : l’équipe a utilisé son système d’IA pour analyser environ 2 000 anticorps provenant de personnes qui n’avaient jamais été infectées par le VIH, à la recherche de candidats rares susceptibles de combattre le virus. Ils ont découvert un anticorps capable de neutraliser le VIH – c’est la première fois que quelqu’un découvre un tel anticorps chez une personne non infectée. Cette découverte est importante car elle démontre que certaines personnes sont naturellement porteuses du matériel génétique de départ pour des anticorps largement protecteurs, même si elles n'ont jamais été confrontées au VIH.
Un vaccin efficace devrait activer et entraîner ces rares anticorps précurseurs pour devenir des combattants antivirus à part entière. La découverte confirme également que cette approche informatique peut identifier ces candidats extrêmement rares – essentiellement en trouvant des aiguilles dans des meules de foin biologiques – ce qui donne aux scientifiques l’assurance que les méthodes fonctionneront encore mieux pour évaluer les anticorps déjà partiellement formés par des vaccins expérimentaux.
Le moment est également idéal : plusieurs candidats vaccins contre le VIH sont actuellement testés dans le cadre d’essais sur l’homme, produisant un flot de nouvelles données. Grâce à la capacité d’analyser rapidement ces réponses et d’affiner les vaccins de suivi, les chercheurs pourraient considérablement raccourcir le chemin menant à un vaccin efficace contre le VIH.
Un nouveau modèle pour le développement de vaccins
Les implications s’étendent bien au-delà du VIH. Ward et Briney espèrent que cette approche informatique pourra être appliquée à diverses cibles vaccinales difficiles, comme la grippe et le paludisme.
« Ce projet démontre la puissance de la collaboration en combinant l'expertise de Scripps Research et de CHAVD », a ajouté Briney. « Nous espérons que ce projet aboutira à une ressource qui pourra être utilisée par les chercheurs sur le VIH du monde entier, conduisant éventuellement à de meilleurs résultats en matière de santé pour les personnes vivant avec le VIH ou susceptibles de le contracter. »
