为什么有些疫苗只保护一些人而不保护另一些人？

阿德里安娜·托米奇教授将机器学习与人类免疫学系统相结合，致力于创造有效的、长记忆的疫苗，以增强对潜在大流行病毒的免疫力

作者：Chloe Wojtanik和Maureen Stanton

流感每年影响约10亿人，突然迫使人们请病假，争夺托儿服务，并造成其他干扰。虽然大多数人会感到寒战、流鼻涕和身体疼痛，但其他人会面临严重的并发症和死亡。全球每年约有65万人死于流感，数百万人住院治疗。

Adriana Tomic是生物医学工程、病毒学、免疫学和微生物学的助理教授，也是哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所的初级教员，她正在原子实验室和她的团队一起努力解决这个复杂的问题。

原子实验室是波士顿大学国家新兴传染病实验室（NEIDL）的一个系统免疫学小组。那里的澳门威尼斯人注册网站研究人员正在努力了解人体的防御，或免疫系统，找出如何增强它，并加快新疫苗的开发。澳门威尼斯人注册网站研究人员的目标是改进主要传染病的疫苗和治疗方法，尤其是那些可以迅速广泛传播的疾病，这些疾病会导致流感和冠状病毒等大流行。他们的工作之所以脱颖而出，是因为他们融合了多个澳门威尼斯人注册网站研究领域：感染生物学、免疫学、疫苗开发、工程学、人工智能（AI）和计算机科学。在扩展到动物澳门威尼斯人注册网站研究之前，这种跨学科方法侧重于人类免疫学的复杂性，因此从一开始就优先考虑人类免疫学而不是基于动物的澳门威尼斯人注册网站研究。

从人体样本开始

与大多数同行相比，Tomic教授的实验室采用了一种独特的疫苗开发方法——他们主要使用来自人类细胞的样本，而不是动物模型。

“人类和老鼠在基因和环境对免疫力的影响方面存在明显的差异，”哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所初级教员的托米奇教授解释说。通过从一开始就将我们的澳门威尼斯人注册网站研究直接集中在人类细胞上，我们能够绕过将数据发现从小鼠推断到人类的耗时且具有挑战性的过程。”

通过直接从人体细胞开始疫苗开发过程，Tomic教授和她的团队正在利用一种更有效的方法，大大缩短了新疫苗的等待时间。这一开拓性方法通过加速提供更有效的疫苗，有助于迅速改善全球卫生结果。

破解我们免疫系统防御策略的密码

当有人生病或接种疫苗时，他们身体的防御系统或免疫系统就会开始澳门威尼斯人注册行动。免疫系统中有许多不同类型的细胞，它们像一个团队一样保护我们。但这就像一个谜题，我们仍在试图找出哪些细胞对抵抗不同的细菌最有帮助，比如流感或SARS-CoV-2。托米奇教授和她在原子实验室的团队正在执行破解这个谜题的任务。

“你不能指望一个又大又硬的细胞来保护你，”托米奇教授解释说。“这更像是一支足球队，不同的细胞扮演着不同的角色，但它们都在一起努力赢得比赛。我们试图找出哪些细胞在对抗不同细菌时是攻击者还是防御者。”

他们通过进行实验来做到这一点，他们将流感或SARS-CoV-2等细菌中的蛋白质引入人体免疫细胞，观察它们的反应。这使得托米奇教授和她的团队能够确定对出现轻度到重度症状的人进行治疗的方式。

原子实验室的澳门威尼斯人注册网站研究小组还澳门威尼斯人注册网站研究了不同生命阶段的人的细胞样本，包括非常年幼的儿童和老年人，特别是在他们接种疫苗或正在处理疾病之后。通过澳门威尼斯人注册网站研究他们的免疫细胞，以及它们对同一种细菌的反应，Tomic教授和她的团队希望创造更好的游戏计划（疫苗），以帮助身体的细胞团队赢得与这些细菌的战斗。

智能免疫设计

Tomic教授和她在原子实验室的团队利用人工智能（AI）的力量和复杂的数据分析来增强预测我们身体的防御系统（免疫系统）对传染病和疫苗的反应的能力。原子实验室团队开发了一种名为SIMON（“顺序迭代建模过夜”）的独特工具，这是一个开源人工智能平台，专门用于分析人类免疫系统对感染和疫苗的反应。

Tomic教授和她的团队首先介绍了将机器学习（人工智能的一个子集）应用于高维临床数据集的概念。他们的工作题为“西蒙，一个自动机器学习系统，揭示流感疫苗反应的免疫特征”，在美国免疫学家协会2019年和2020年阅读量最大的科学论文之一中得到了强调。这篇论文展示了如何利用SIMON来预测谁在接种流感疫苗后将免受流感感染。

在他们正在进行的澳门威尼斯人注册网站研究中，Tomic教授和她的团队使用SIMON来预测个体免疫系统对疫苗的反应，并预测哪些人会受到疾病的严重影响，哪些人不会。他们还部署了SIMON来计算一个人在被感染后的免疫防御能持续多久。此外，他们利用SIMON先进的机器学习能力来改进预测模型，并用于基础免疫细胞群澳门威尼斯人注册网站研究和新细胞类型的探索。

研制长效疫苗

Tomic教授最大的澳门威尼斯人注册网站研究问题集中在长期保护上：为什么我们不能通过对每种病原体接种疫苗来产生持久的保护性免疫？

虽然接种麻疹疫苗的婴儿通常会受到终身保护，但疾病控制和预防中心建议每个人每年都接种流感疫苗。为什么麻疹疫苗能提供如此有效的保护，而流感疫苗只能提供40-60%的保护？

为了解决这个问题，托米奇教授和她的团队将实验测试与计算机计算结合起来，澳门威尼斯人注册网站研究整个免疫系统。这有助于他们缩小视野，看到我们的身体如何记住如何抵抗细菌的大局。他们希望这能帮助他们制造出更好的疫苗。

托米奇说：“我们想弄清楚主要的参与者和过程，这些参与者和过程至少会导致建立终身或长期的保护。”“一旦我们知道了这一点，我们就有了制造更好的疫苗和治疗方法的路线图。”