俄亥俄州立大學(xué)：使用 AI 創(chuàng)造更好、更有效的藥物
在人工智能的幫助下，藥物的生產(chǎn)速度可以更快，而且成本更低。
雖然制藥行業(yè)可能需要數(shù)年時(shí)間才能創(chuàng)造出能夠或治愈人類(lèi)疾病的藥物，但一項(xiàng)新的研究表明，使用生成人工智能可以大大加速藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程。
今天，大多數(shù)藥物發(fā)現(xiàn)都是由人類(lèi)化學(xué)家進(jìn)行的，他們依靠自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇和合成成為我們依賴(lài)的安全高效藥物所需的正確分子。為了確定合成路徑，科學(xué)家們經(jīng)常采用一種稱(chēng)為逆合成的技術(shù) - 一種通過(guò)從所需的分子向后工作并尋找化學(xué)反應(yīng)來(lái)制造它們來(lái)創(chuàng)造潛在藥物的方法。
然而，由于篩選數(shù)百萬(wàn)個(gè)潛在的化學(xué)反應(yīng)可能是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性和耗時(shí)的工作，俄亥俄州立大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一個(gè)名為G2Retro的人工智能框架，可以自動(dòng)生成任何給定分子的反應(yīng)。 這項(xiàng)新研究表明，與目前的手動(dòng)計(jì)劃方法相比，該框架能夠涵蓋大量可能的化學(xué)反應(yīng)，并準(zhǔn)確快速地識(shí)別哪些反應(yīng)可能適合創(chuàng)建給定的藥物分子。
“將人工智能用于拯救人類(lèi)生命的關(guān)鍵事情，如醫(yī)學(xué)，是我們真正想要關(guān)注的，” 該研究的作者，俄亥俄州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程副教授夏寧說(shuō)。 “我們的目標(biāo)是使用人工智能來(lái)加速藥物設(shè)計(jì)過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)它不僅可以節(jié)省研究人員的時(shí)間和金錢(qián)，而且提供的候選藥物可能比自然界中存在的任何分子都具有更好的特性。
這項(xiàng)研究建立在Ning之前的研究基礎(chǔ)上，她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為Modof的方法，該方法能夠產(chǎn)生比任何現(xiàn)有分子都更好地表現(xiàn)出所需特性的分子結(jié)構(gòu)?！艾F(xiàn)在的問(wèn)題是如何制造這種生成的分子，這就是這項(xiàng)新研究的亮點(diǎn)，”Ning說(shuō)，他也是醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)副教授。
這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《通信化學(xué)》雜志上。
Ning的團(tuán)隊(duì)在一個(gè)數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練了G2Retro，該數(shù)據(jù)集包含40年至000年間收集的1976，2016個(gè)化學(xué)反應(yīng)。該框架從給定分子的基于圖的表示中“學(xué)習(xí)”，并使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成可用于合成它們的可能的反應(yīng)物結(jié)構(gòu)。它的生成能力令人印象深刻，據(jù)Ning說(shuō)，一旦給定一個(gè)分子，G2Retro可以在短短幾分鐘內(nèi)提出數(shù)百個(gè)n ew反應(yīng)預(yù)測(cè)。
“我們的生成AI方法G2Retro能夠提供多種不同的合成路線(xiàn)和選項(xiàng)，以及為每個(gè)分子排列不同選項(xiàng)的方法，”Ning說(shuō)。“這不會(huì)取代目前基于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，但它將提供更多更好的藥物選擇，因此實(shí)驗(yàn)可以更快地確定優(yōu)先級(jí)和集中精力。
為了進(jìn)一步測(cè)試人工智能的有效性，Ning的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)案例研究，看看G2Retro是否可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)已經(jīng)流通的四種新發(fā)布的藥物：Mitapivat，一種用于溶血性貧血的藥物; Tapinarof，用于各種皮膚病; Mavacamten，一種全身性心力衰竭的藥物;和Oteseconazole，用于女性真菌感染。Ning說(shuō)，G2Retro能夠正確地為這些藥物生成完全相同的專(zhuān)利合成路線(xiàn)，并提供可行的替代合成路線(xiàn)和合成有用的替代合成路線(xiàn)。
擁有這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)和有效的設(shè)備供科學(xué)家使用可以使該行業(yè)以更快的速度制造更強(qiáng)大的藥物 - 但盡管人工智能可能會(huì)給實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科學(xué)家?guī)?lái)優(yōu)勢(shì)，但寧強(qiáng)調(diào) G 2Retro或任何生成AI創(chuàng)造的藥物仍然需要驗(yàn)證 - 這個(gè)過(guò)程涉及在動(dòng)物模型中測(cè)試所創(chuàng)造的分子，然后在人體試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試。
“我們對(duì)醫(yī)學(xué)的生成人工智能感到非常興奮，我們致力于負(fù)責(zé)任地使用人工智能來(lái)改善人類(lèi)健康，”寧說(shuō)。
這項(xiàng)研究得到了俄亥俄州立大學(xué)總統(tǒng)研究計(jì)劃和科學(xué)基金會(huì)的支持。俄亥俄州立大學(xué)的其他合著者是Ziqi Chen，Oluwatosin Ayinde，James Fuchs和Huan Sun。
