BioNTech SE und InstaDeep Ltd. gaben die Entwicklung einer neuen Berechnungsmethode bekannt, die weltweit verfügbare Sequenzierungsdaten analysiert und Hochrisikovarianten von SARS-CoV-2 vorhersagt. Das von BioNTech und InstaDeep gemeinsam entwickelte Frühwarnsystem (Early Warning System, EWS) basiert auf mit künstlicher Intelligenz (KI) berechneten Immun-Escape- und Fitness-Metriken. Die neue Methode kombiniert die strukturelle Modellierung des viralen Spike-Proteins mit KI-Algorithmen, um potenzielle Hochrisikovarianten, die in die SARS-CoV-2-Sequenzdatenbestände eingegeben werden, innerhalb von weniger als einem Tag auf der Grundlage von Metriken zu erkennen, die ihre Fitness (z. B. ACE2 und Spike-Protein-Interaktion) sowie ihre Immun-Escape-Eigenschaften bewerten. Die Unternehmen validierten diese Vorhersagen anhand von experimentellen Daten, die intern generiert wurden, und öffentlich verfügbaren Daten. Während des Versuchszeitraums hat das System >90 % der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) benannten Varianten (Variants of Concern, VOC; Variants of Interest, VOI; Variants Under Monitoring, VUM) im Durchschnitt zwei Monate im Voraus identifiziert. Die von der WHO benannten Varianten Alpha, Beta, Gamma, Theta, Eta und Omicron wurden vom EWS in derselben Woche entdeckt, in der ihre Sequenz erstmals hochgeladen wurde. Die Omicron-Variante wurde am selben Tag, an dem ihre Sequenz verfügbar wurde, als Hochrisikovariante eingestuft. Die in Frankreich beobachtete IHU-Variante wurde ebenfalls vom EWS bewertet, das dabei Immun-Escape-Eigenschaften feststellte, die denen von Omicron relativ ähnlich sind, jedoch eine deutlich geringere Fitness aufweisen, was sie angesichts der aktuellen Daten weniger besorgniserregend macht. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen, dass das EWS in der Lage ist, neue Varianten innerhalb von Minuten zu bewerten und das Risiko von Variantenlinien nahezu in Echtzeit zu überwachen. Außerdem ist es vollständig skalierbar, wenn neue Variantendaten verfügbar werden. Das Frühwarnsystem (EWS) stützt sich auf zwei Ansätze: (1) strukturelle Modellierung der Interaktion der Rezeptor-bindenden Domäne (RBD) des viralen Spike-Proteins mit dem Rezeptor der Wirtszelle und Bewertung der Auswirkungen der Virusvariante bei der Umgehung der Immunantwort und (2) KI-basierte prädiktive Modellierung zur Extraktion von Informationen aus Hunderttausenden von registrierten Virusvarianten aus globalen Sequenzspeichern. Das EWS berechnet einen Immun-Escape-Score und einen Fitness-Score (Übertragbarkeitspotenzial). Während der Immun-Escape-Score allein bereits eine hohe Vorhersagekraft für das Risiko 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 stuft die SARS-CoV-2-Varianten hinsichtlich ihres Potenzials, dem Immunsystem zu entkommen, und ihrer Fitness ein und ist daher nicht auf einen abwartenden Ansatz angewiesen. Das EWS war in der Lage, während eines Zeitraums von 11 Monaten die von der WHO benannten Varianten von den nicht benannten zu unterscheiden, was die Fähigkeit des Computermodells unterstreicht, die Abstammung der 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 benannten Varianten mit einer durchschnittlichen Vorlaufzeit von 58 Tagen (zwei Monaten) erkannt, bevor die Varianten ihre Bezeichnung erhielten. Bei den Varianten Alpha bis Mu wurden zum Zeitpunkt der Kennzeichnung durch das Frühwarnsystem im Durchschnitt nur etwa 25 Fälle registriert. Dies steht im Gegensatz zu den WHO-Meldungen, bei denen im Durchschnitt mehr als 1 500 Fälle registriert wurden. Das EWS erkannte Omicron an dem Tag, an dem seine Sequenz zum ersten Mal hochgeladen wurde, als die Variante mit der höchsten Immunitätsrate unter den mehr als 70 000 Varianten, die zwischen Anfang Oktober 2021 und Ende November 2021 entdeckt wurden, und wies ihr eine hohe Fitnessbewertung zu.