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BioNTech schlägt wieder zu - Innovationen am Fließband?

KI-Frühwarnsystem für Covid-Mutanten

PREVIEW online - BioNTech – In Zusammenarbeit mit dem englischen Unternehmen InstaDeep bringt BioNTech jetzt ein Frühwarnsystem (Early Warning System, „EWS“) für SARS-CoV-2-Varianten auf den Markt. Die neue KI-basierte Berechnungsmethode analysiert die weltweit verfügbaren Sequenzierungsdaten und erkennt neue Varianten schon weit vor dem Ausbruch.

Die neue Methode kombiniert die Strukturmodellierung des viralen Spike-Proteins mit KI-Algorithmen, um potenzielle Hochrisikovarianten innerhalb von weniger als einem Tag als solche zu erkennen.

Dazu nutzt das System Informationen, die in SARS-CoV-2-Sequenzdatenbanken eingegeben werden. Die Berechnung geschieht auf der Grundlage von Metriken zur Bewertung der viralen Fitness (z. B. ACE2- und Spike-Protein-Interaktion der Virus-Variante) sowie der Eigenschaften zur Immunevasion. Die Unternehmen validierten diese Vorhersagen anhand von eigens generierten experimentellen sowie von öffentlich verfügbaren Daten.

Während des Versuchszeitraums hat das System mehr als 90 Prozent der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) identifizierten Virusvarianten (Variants of Concern, „VOC“; Variants of Interest, „VOI“; Variants Under Monitoring, „VUM“) im Durchschnitt zwei Monate im Voraus erkannt.
Vorwarnung minutenschnell

Die von der WHO identifizierten Varianten Alpha, Beta, Gamma, Theta, Eta und Omikron wurden vom EWS noch in derselben Woche erkannt, in der ihre Sequenz erstmals hochgeladen wurde. Die Omikron-Variante wurde noch am selben Tag, an dem ihre Sequenz verfügbar wurde, als Hochrisikovariante eingestuft.

Die in Frankreich beobachtete IHU-Variante wurde ebenfalls durch das EWS evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit dieser Variante, das Immunsystem zu umgehen, ähnlich zur Omikron-Variante ist, dass sie aber eine deutlich geringere Gefährlichkeit aufweist. Dies macht sie angesichts der aktuellen Daten weniger bedenklich.

Wirksames Frühwarnsystem schafft Luft zur Vorbereitung

Die Ergebnisse der Studie unterstreichen, dass das EWS in der Lage ist, neue Varianten innerhalb von Minuten zu erkennen und ihr Risiko nahezu in Echtzeit zu überwachen. Außerdem ist es für neue Virusvariantendaten vollständig skalierbar.

„Mit den neuen Berechnungsmethoden, die wir in den letzten Monaten entwickelt haben, können wir die Sequenzinformationen des Spike-Proteins analysieren und neue Varianten nach ihrem vorhergesagten Immune-Escape- und ACE2-Bindung-Score einordnen“, sagte Prof. Ugur Sahin, CEO und Mitgründer von BioNTech. „Die frühzeitige Erkennung potenzieller Hochrisikovarianten könnte ein wirksames Instrument sein, um Forscher, Impfstoffentwickler, Gesundheitsbehörden und politische Entscheidungsträger zeitnah zu warnen und so mehr Zeit für die Einleitung entsprechender Maßnahmen gegen bedenkliche neue Virusvarianten zu haben.“

KI hilft wo Menschen versagen

„Derzeit werden jede Woche mehr als 10.000 neue Sequenzvarianten entdeckt. Menschliche Experten können diese komplexen Daten in diesem Umfang nicht mehr bewältigen. Wir haben uns dieser Herausforderung gestellt, indem wir die leistungsstarken KI-Fähigkeiten der DeepChain-Plattform von InstaDeep mit dem SARS-CoV-2-Know-how und der Technologie von BioNTech kombiniert haben.

„Erstmals können jetzt Hochrisikovarianten auf der Stelle erkannt werden, was Monate an wertvoller Zeit sparen kann“, ergänzte Karim Beguir, Mitgründer und CEO von InstaDeep.

DeepDive von InstaDeep

Das EWS-Frühwarnsystem beruht auf zwei Ansätzen: strukturelle Modellierung der Interaktion der Rezeptor-bindenden Domäne (RBD) des viralen Spike-Proteins mit dem Rezeptor der Wirtszelle und Bewertung der Auswirkung einer Virusvariante bei Umgehung einer Immunantwort und KI-basierte Vorhersagemodelle zur Extraktion von Informationen hunderttausender registrierter Virusvarianten aus globalen Sequenzdatenbeständen.

Je höher die Punktzahl, desto höher das Risiko

Das EWS berechnet einen Immune-Escape-Score und einen Fitness-Score (Übertragbarkeitspotenzial). Während der Immune-Escape-Score allein bereits eine hohe Vorhersagekraft für das Risiko einer Virusvariante hatte, lieferte die Kombination dieser beiden Metriken zu einem Pareto-Score die beste Einschätzung des Risikos, das von einer bestimmten Virusvariante ausgeht. Je höher die Punktzahl, desto höher ist das Risiko, dass sich die Variante auf die globale Gesundheit auswirkt. Der EWS-Ansatz bewertet die SARS-CoV-2-Varianten hinsichtlich ihrer Immunevasionsfähigkeit und ihrer „Fitness“ ausschließlich auf der Grundlage vorhandener Daten. Das System muss nicht mehr Abwarten und Beobachten.

2 Monate Vorlauf bis die Welle kommt

Das EWS war in der Lage, über einen Zeitraum von 11 Monaten die von der WHO identifizierten Varianten von den nicht identifizierten zu unterscheiden. Dies unterstreicht die Fähigkeit des Berechnungsmodells, die Abstammung von Varianten zu bestimmen. Bei einer zwischen dem 16. September 2020 und dem 23. November 2021 wöchentlich durchgeführten Analyse wurden 12 der 13 von der WHO identifizierten Varianten mit einer durchschnittlichen Vorlaufzeit von 58 Tagen (d. h. zwei Monaten) identifiziert, bevor die Varianten ihre jeweilige WHO-Bezeichnung erhielten.

Zum Zeitpunkt der EWS-Kennzeichnung der Varianten Alpha bis Mu waren im Durchschnitt nur etwa 25 Fälle gemeldet. Im Gegensatz dazu meldete die WHO diese Varianten, als im Durchschnitt mehr als 1.500 Fälle gemeldet waren. Aus mehr als 70.000 Varianten, die zwischen Anfang Oktober 2021 und Ende November 2021 entdeckt wurden, erkannte das EWS Omikron am selben Tag, als dessen Sequenz erstmals veröffentlicht wurde, als die Variante mit der stärksten Immunevasionsfähigkeit bei gleichzeitig hohem „Fitness-Score“.

KI & Immunologie – Zeitgemäßes Paar

Die als Pre-Print veröffentlichten Daten sind das Ergebnis einer seit November 2020 bestehenden Zusammenarbeit zwischen BioNTech und InstaDeep, um KI und Immunologie miteinander zu verbinden. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit haben die Unternehmen ein gemeinsames KI-Innovationslabor in London, Vereinigtes Königreich, und Mainz, Deutschland, gegründet, um die Entdeckung und das Design neuartiger Arzneimittel, das Proteindesign, sowie die Produktion und Optimierung von Lieferketten voranzutreiben.

Über SARS-CoV-2-Mutationen

In den vergangenen zwei Jahren hat sich gezeigt, dass die häufige und weite Verbreitung des SARS-CoV-2-Virus die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Teile seines Erbguts mutieren und sich dadurch seine Eigenschaften verändern können. Die derzeit bekannten Varianten weisen Mutationen auf, die sie von dem Anfang 2020 identifizierten, ursprünglichen Virusstamm unterscheiden.

Exponentielle Mutanten-Bildung

Allein im Spike-Protein wurden mehr als 13.400 einzelne Missense-Mutationen beobachtet. Die verfügbaren Daten zeigen, dass die Geschwindigkeit, mit der jede Woche Tausende neue Varianten auftauchen, stetig steigt. Der Wochendurchschnitt stieg von etwa 300 registrierten Varianten im September 2020 auf 7.000 im August 2021 und 12.000 im Dezember 2021.

Während die meisten Mutationen entweder die allgemeine Fitness des Virus verringern oder keine Auswirkungen auf seine Eigenschaften haben, führen einige einzelne Mutationen oder Kombinationen von Mutationen zu Hochrisikovarianten (HRV) mit veränderten Fähigkeiten, um das Immunsystem zu umgehen und/oder verbesserter Übertragbarkeit.

Eine Variante, die die Neutralisierung durch Antikörper umgehen kann, stellt dabei ein hohes Risiko für zuvor an COVID-19 erkrankte Personen und vollständig Geimpfte dar.

Da bei infizierten Personen immer wieder neue Virussequenzen festgestellt werden, ist die Vorhersage von Varianten, die das Potenzial zu HRVs haben, von entscheidender Bedeutung für die Eindämmung der Pandemie. Die Identifizierung dieser Varianten stellt die Gesundheitsbehörden vor eine große Herausforderung, da der Nachweis durch verschiedene Tests im Labor sehr zeitaufwändig ist. Das EWS ermöglicht eine frühzeitige Erkennung dieser Varianten und verkürzt die Zeit, die die Gesundheitsbehörden benötigen, um ihre Auswirkungen zu bewerten und rechtzeitig zu reagieren.

Über BioNTech

Biopharmaceutical New Technologies ist ein Immuntherapie-Unternehmen der nächsten Generation, das bei der Entwicklung von Therapien für Krebs und andere schwere Erkrankungen Pionierarbeit leistet. Das Unternehmen kombiniert eine Vielzahl an modernen therapeutischen Plattformen und Bioinformatik-Tools, um die Entwicklung neuartiger Biopharmazeutika rasch voranzutreiben. Das diversifizierte Portfolio an onkologischen Produktkandidaten umfasst individualisierte Therapien sowie off-the-shelf-Medikamente auf mRNA-Basis, innovative chimäre Antigenrezeptor (CAR)-T-Zellen, bispezifische Checkpoint-Immunmodulatoren, zielgerichtete Krebsantikörper und Small Molecules. Auf Basis seiner umfassenden Expertise bei der Entwicklung von mRNA-Impfstoffen und unternehmenseigener Herstellungskapazitäten entwickelt BioNTech neben seiner vielfältigen Onkologie-Pipeline gemeinsam mit Kollaborationspartnern verschiedene mRNA-Impfstoffkandidaten für eine Reihe von Infektionskrankheiten.

Pressekontakt
BioNTech
Jasmina Alatovic
Presse
T.: 06131 - 9084 - 1513
Media@biontech.de



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BioNTech bringt KI-gestütztes Frühwarnsystem heraus.
Quelle: BioNtech
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