使用AI技術(shù)推動(dòng)藥物發(fā)展的新路徑

發(fā)現(xiàn)是什么？在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，存在著一個(gè)古老的問(wèn)題，即究竟該說(shuō)發(fā)現(xiàn)了新的數(shù)學(xué)方法、還是發(fā)明了新的數(shù)學(xué)方法。同樣的問(wèn)題對(duì)于現(xiàn)代藥物發(fā)現(xiàn)也同樣適用。在使用人工智能來(lái)識(shí)別候選藥物時(shí)，這些新的候選藥物到底是被開(kāi)發(fā)出來(lái)的，還是通過(guò)數(shù)學(xué)及科學(xué)方法在排查過(guò)濾之后自然遺留下來(lái)的？這些新的候選藥物，究竟是被發(fā)現(xiàn)的、還是被設(shè)計(jì)的？這也許是種沒(méi)有區(qū)別的區(qū)別。

在本輪發(fā)現(xiàn)COVID-19疫苗的競(jìng)賽中，人類(lèi)已經(jīng)取得一系列進(jìn)展，也由此產(chǎn)生了使用AI技術(shù)推動(dòng)藥物發(fā)現(xiàn)的新路徑。例如，包括Benevolent AI在內(nèi)的眾多制藥企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用AI從現(xiàn)有藥物中尋找候選藥物。在治療方面，Benevolent AI還公布了進(jìn)入臨床驗(yàn)證階段的6種分子。除了發(fā)現(xiàn)新藥之外，Innoplexus， Deargen， Gero， Cyclica， Healx， VantAI等公司也在利用AI技術(shù)為現(xiàn)有藥物發(fā)現(xiàn)新的用途。Insilico Medicine、Exscientia、SRI International、Iktos等公司正在全面使用AI發(fā)明新藥。世界各地的生物制藥公司都在采用AI策略以整合藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程。例如，Atomwise通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法與彈性超級(jí)計(jì)算平臺(tái)預(yù)測(cè)潛在藥物，借此加快了小兒癌癥的分子發(fā)現(xiàn)過(guò)程，借此縮短可行療法的發(fā)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)周期。另外，MELLODY項(xiàng)目則是一套基于區(qū)塊鏈的解決方案，旨在開(kāi)發(fā)出一套機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，能夠從藥物發(fā)現(xiàn)流程中生成的數(shù)千種專(zhuān)用數(shù)據(jù)集開(kāi)展學(xué)習(xí)。此項(xiàng)目一旦得到全面開(kāi)發(fā)，研究人員將能夠更輕松地確定哪些小分子對(duì)未來(lái)的研究最有幫助。而這一切，只是人們動(dòng)用機(jī)器學(xué)習(xí)尋找新藥物以及推動(dòng)醫(yī)藥領(lǐng)域新一輪變革的幾個(gè)側(cè)面。既然算法完全有能力進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)，我們不禁要問(wèn)，“藥物發(fā)現(xiàn)的真正含義是什么？”

結(jié)論就隱藏在我們的視線之下嗎？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要更深入地研究人工智能在藥物發(fā)現(xiàn)及相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，以了解這種新興技術(shù)的實(shí)際與商業(yè)意義。人工智能在藥物發(fā)現(xiàn)層面確實(shí)有著廣泛應(yīng)用，研究實(shí)驗(yàn)室基于這些技術(shù)的早期工作成果，將其轉(zhuǎn)化為商業(yè)階段，并據(jù)此探索藥物開(kāi)發(fā)與可學(xué)習(xí)算法之間的交集。在此過(guò)程中，英偉達(dá)公司甚至也參與其中。二者對(duì)接的重要載體之一就是計(jì)算，即在計(jì)算機(jī)中“測(cè)試”多種分子組合。另一種方法則是從潛在信息中發(fā)現(xiàn)洞見(jiàn)，這種方式在藥物發(fā)現(xiàn)之外的領(lǐng)域已經(jīng)比較普遍。大數(shù)據(jù)分析發(fā)展出一整套令人興奮的新技術(shù)，能夠從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中提取新的洞見(jiàn)。例如，《自然》雜志近期提出的一種方法，就能夠評(píng)估大型研究論文集中所提及的不同材料及其化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。在加州大學(xué)伯克利分校以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究當(dāng)中，研究人員不再直接查看這些材料的分子數(shù)據(jù)，而是直接使用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)總結(jié)其中的材料學(xué)知識(shí)，借此發(fā)現(xiàn)與功能需求相匹配的材料選擇。在新藥發(fā)現(xiàn)方面，這種新知識(shí)就隱藏在視線之下的思路其實(shí)非常有趣。2017年，東京中央大學(xué)的一位研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了另一項(xiàng)引人注目的技術(shù)，其確定了能夠與基因及藥物相互作用且顯著重疊的一組基因與化合物。使用此項(xiàng)技術(shù)，研究人員最終確定了兩種有希望的治療靶標(biāo)基因，并將其蛋白質(zhì)產(chǎn)物確定為頗具希望的肝硬化候選藥物（一種常見(jiàn)疾病，但卻幾乎沒(méi)有好的治療方法）。

Big Data大數(shù)據(jù)

根據(jù)德勤最近發(fā)布的一份報(bào)告，藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的人工智能應(yīng)用案例確實(shí)可以加快藥物發(fā)現(xiàn)周期并降低藥物發(fā)現(xiàn)成本。以往，從藥物研發(fā)階段到臨床前測(cè)試階段，整個(gè)周期往往需要五到六年。而再到實(shí)際上市則平均需要十到二十年時(shí)間，且每種藥物的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)成本約為20億美元。但根據(jù)德勤公司的說(shuō)法，在將新藥投放市場(chǎng)之后，預(yù)期的投資回報(bào)率還不足2%。如果能夠?qū)⑺幬锇l(fā)現(xiàn)的自動(dòng)化程度提高，則制藥行業(yè)將擁有更加豐厚的利潤(rùn)空間，從而降低新藥的上市成本。人工智能無(wú)疑是最具前景的新藥早期開(kāi)發(fā)解決方案。根據(jù)德勤的報(bào)告，人工智能解決方案可以顯著縮短藥物發(fā)現(xiàn)階段的時(shí)間需求，將從研發(fā)到臨床前階段的周期降低至以往的十五分之一。這類(lèi)項(xiàng)目需要挖掘大量數(shù)據(jù)，而且必然涉及大量微調(diào)，因此整個(gè)過(guò)程表現(xiàn)得更像是科學(xué)與發(fā)現(xiàn)——而非工程與設(shè)計(jì)。但也許真相實(shí)際上處于這兩者之間。

發(fā)現(xiàn)還是設(shè)計(jì)？

軟件要在人類(lèi)基因組計(jì)劃等大規(guī)模項(xiàng)目中得到廣泛采用，企業(yè)全面使用AI技術(shù)進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)與研究，甚至說(shuō)整體藥物發(fā)現(xiàn)流程都開(kāi)始由AI軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)，這一切的實(shí)現(xiàn)時(shí)間可能并不太遙遠(yuǎn)——大約是在2030年左右。屆時(shí)，從篩查到臨床前測(cè)試的周期將大大縮短，而能夠治療極端特定病理的新藥也將不再是“罕見(jiàn)的恩賜”。

那么讓我們回到主題——人工智能方法究竟是在真正發(fā)現(xiàn)新藥，還是通過(guò)優(yōu)化流程進(jìn)行設(shè)計(jì)？也許答案應(yīng)該是發(fā)現(xiàn)，而非設(shè)計(jì)。畢竟使用人工智能來(lái)發(fā)現(xiàn)藥物本身就是在“拼運(yùn)氣”，雖然方法本身一直在不斷優(yōu)化，但要想獲得“正確”的解決方案仍然需要上佳的運(yùn)氣。這就像不斷從工具箱里掏出螺絲起子進(jìn)行嘗試，直到發(fā)現(xiàn)一只能夠與螺絲對(duì)得上。這很有效，但仍然跟發(fā)明前所未有的新螺絲起子不是一碼事。接下來(lái)，我們?cè)賳?wèn)個(gè)問(wèn)題：這是發(fā)明還是發(fā)現(xiàn)？可以看到，產(chǎn)生新的候選藥物的機(jī)器模型內(nèi)部仍然在從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、做出優(yōu)化并選擇適合的模式。所以，答案仍然是發(fā)現(xiàn)。但無(wú)論如何，這是個(gè)剛剛起步的領(lǐng)域，前景一片大好。我們期待著AI的力量在醫(yī)藥領(lǐng)域得以全面展現(xiàn)！
責(zé)任編輯：YYX