Computational approaches for improving treatment and prevention of viral infections

Abstract

The treatment of infections with HIV or HCV is challenging. Thus, novel drugs and new computational approaches that support the selection of therapies are required. This work presents methods that support therapy selection as well as methods that advance novel antiviral treatments. geno2pheno[ngs-freq] identifies drug resistance from HIV-1 or HCV samples that were subjected to next-generation sequencing by interpreting their sequences either via support vector machines or a rules-based approach. geno2pheno[coreceptor-hiv2] determines the coreceptor that is used for viral cell entry by analyzing a segment of the HIV-2 surface protein with a support vector machine. openPrimeR is capable of finding optimal combinations of primers for multiplex polymerase chain reaction by solving a set cover problem and accessing a new logistic regression model for determining amplification events arising from polymerase chain reaction. geno2pheno[ngs-freq] and geno2pheno[coreceptor-hiv2] enable the personalization of antiviral treatments and support clinical decision making. The application of openPrimeR on human immunoglobulin sequences has resulted in novel primer sets that improve the isolation of broadly neutralizing antibodies against HIV-1. The methods that were developed in this work thus constitute important contributions towards improving the prevention and treatment of viral infectious diseases.

Die Behandlung von HIV- oder HCV-Infektionen ist herausfordernd. Daher werden neue Wirkstoffe, sowie neue computerbasierte Verfahren benötigt, welche die Therapie verbessern. In dieser Arbeit wurden Methoden zur Unterstützung der Therapieauswahl entwickelt, aber auch solche, welche neuartige Therapien vorantreiben. geno2pheno[ngs-freq] bestimmt, ob Resistenzen gegen Medikamente vorliegen, indem es Hochdurchsatzsequenzierungsdaten von HIV-1 oder HCV Proben mittels Support Vector Machines oder einem regelbasierten Ansatz interpretiert. geno2pheno[coreceptor-hiv2] bestimmt den HIV-2 Korezeptorgebrauch dadurch, dass es einen Abschnitt des viralen Oberflächenproteins mit einer Support Vector Machine analysiert. openPrimeR kann optimale Kombinationen von Primern für die Multiplex-Polymerasekettenreaktion finden, indem es ein Mengenüberdeckungsproblem löst und auf ein neues logistisches Regressionsmodell für die Vorhersage von Amplifizierungsereignissen zurückgreift. geno2pheno[ngs-freq] und geno2pheno[coreceptor-hiv2] ermöglichen die Personalisierung antiviraler Therapien und unterstützen die klinische Entscheidungsfindung. Durch den Einsatz von openPrimeR auf humanen Immunoglobulinsequenzen konnten Primersätze generiert werden, welche die Isolierung von breit neutralisierenden Antikörpern gegen HIV-1 verbessern. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Prävention und Therapie viraler Infektionskrankheiten.