Frühwarnsystem für gefährliche SARS-CoV-2-Varianten

Das plötzliche Auftauchen der hochansteckenden SARS-CoV-2-Variante Omikron hat Bemühungen zur Pandemiekontrolle weltweit vor neue Herausforderungen gestellt. Das zeigt, wie wichtig es ist, besorgniserregende Varianten, die immer wieder auftauchen können, frühzeitig zu erkennen. Dies könnte ein Frühwarnsystem leisten, das mittels Künstlicher Intelligenz (KI) virale Strukturmodifikationen erkennt und hinsichtlich des Gefahrenpotenzials gewichtet. Ein solches Frühwarnsystem (Early Warning System, EWS) haben jetzt Biontech und Instadeep entwickelt und die wissenschaftlichen Details dazu in einer Publikation auf dem Preprint-Server »BioRxiv« veröffentlicht.

Das EWS kombiniert Strukturmodellierung des viralen Spike-Proteins mit KI-Algorithmen zur Bewertung der viralen Fitness (zum Beispiel ACE2- und Spike-Protein-Interaktion der Virusvariante) sowie der Eigenschaften zur Immunflucht. Es resultieren ein Immunescape-Score und ein Fitness-Score (Übertragbarkeitspotenzial). Während der Immunescape-Score allein bereits eine hohe Vorhersagekraft für das Risiko einer Virusvariante besitzt, liefert die Kombination dieser beiden Metriken die Möglichkeit, das Risiko, das von einer bestimmten Virusvariante ausgeht, realistisch einzuschätzen. Je höher die Punktezahl, desto höher ist das Risiko, dass sich eine bestimmte Variante auf die globale Gesundheit auswirkt.

Ein Aspekt, der das System quasi als Echtzeitanalyse-Tool qualifiziert, ist die Tatsache, dass der EWS-Ansatz Immunfluchtfähigkeit und Fitness einer Virusvariante ausschließlich auf der Grundlage vorhandener Daten und nicht von Beobachtungsdaten über bestimmte Zeiträume ableitet. Dies macht es möglich, potenzielle Hochrisikovarianten innerhalb von weniger als einem Tag als solche zu erkennen.

In Proof-of-Concept-Ansätzen gelang es, während des Versuchszeitraums mehr als 90 Prozent der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) identifizierten kritischen Virusvarianten (Variants of Concern, VOC; Variants of Interest, VOI; Variants Under Monitoring, VUM) im Durchschnitt zwei Monate vor ihrer offiziellen Einstufung zu erkennen.

Die von der WHO identifizierten VOC Alpha, Beta, Gamma, Theta, Eta und Omikron wurden von dem EWS noch in derselben Woche erkannt, in der ihre Sequenz erstmals für die wissenschaftliche Öffentlichkeit verfügbar wurde. Die Omikron-Variante wurde sogar noch am selben Tag, an dem die Sequenzdaten einsehbar waren, als Hochrisikovariante identifiziert.