AI為人類開藥方：準確預(yù)測9000名癌癥患者適用藥物！成果登上Nature子刊，出自華人團隊

明敏 2022-11-13 15:41:28 來源：量子位

明敏 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

只需一個AI，9808名癌癥患者對藥物的臨床反應(yīng)，全能預(yù)測。

而且結(jié)果和臨床觀察表現(xiàn)一致。

這就是由紐約市立大學Lei Xie團隊帶來的最新成果CODE-AE（context-aware deconfounding autoencoder）。

它提出一種新型的上下文自編碼模型，可以預(yù)測不同患者對藥物的特異性反應(yīng)。

這將對新藥開發(fā)和臨床試驗產(chǎn)生重大影響。

要知道，傳統(tǒng)模式下一種新藥開發(fā)、試驗、完全上市，中間需要近10年的時間，消耗的資金也空前龐大，動輒就是10億美元。

周期會如此之長，是因為新藥在人體內(nèi)的反應(yīng)難以預(yù)測，往往需要反復(fù)試驗進行測試。

而如果AI能夠利用數(shù)據(jù)進行預(yù)測，將大幅縮短新藥上市時間，降低成本。

目前，該研究登上Nature子刊《Nature Machine Intelligence》。

不再高度依賴臨床數(shù)據(jù)

簡單來說，CODE-AE是利用新藥在體外細胞驗證上的數(shù)據(jù)，來預(yù)測藥物在人體身上會產(chǎn)生的反應(yīng)。

這樣就避免了AI模型訓(xùn)練對患者臨床數(shù)據(jù)的依賴。

過去AI在臨床反應(yīng)預(yù)測上效果一直不算好的最大原因，便是想要收集海量、連續(xù)臨床反應(yīng)數(shù)據(jù)實在是太難了。

從機制上來看，研究人員將藥物生物標志物分為了源域（source domain）和目標域（target domain）。

源域表示和測試樣本不同的領(lǐng)域，但是有豐富的監(jiān)督信息，在這里可以理解為體外細胞驗證的數(shù)據(jù)。

目標域是測試樣本所在的領(lǐng)域，無標簽或只有少量標簽，也就是患者數(shù)據(jù)。

將不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)特征映射到同一個特征空間，使其在該空間中的距離盡可能近。

于是在特征空間中對源域訓(xùn)練的目標函數(shù)，就可以遷移到目標域，提高目標域上的準確率。

放在該研究背景下，源域和目標域都是藥物生物標志物的數(shù)據(jù)特征，即藥物靶標的數(shù)據(jù)特征。

具體來看模型框架，主要分為三個部分：預(yù)訓(xùn)練、微調(diào)和推理。

預(yù)訓(xùn)練主要用了自監(jiān)督學習，構(gòu)建一個特征編碼模塊，將體外細胞數(shù)據(jù)和患者數(shù)據(jù)的未標記基因表達譜，映射到嵌入空間中。這樣一來可以把一些混雜因素排除掉，讓兩種數(shù)據(jù)的潛入分布一致，以消除系統(tǒng)偏差。

微調(diào)階段，是在預(yù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再加一個監(jiān)督模型，并利用已經(jīng)標記的體外細胞數(shù)據(jù)來進行訓(xùn)練。

最后在推理階段，先從預(yù)訓(xùn)練中獲得的患者去歧對其嵌入，然后再利用調(diào)優(yōu)后的模型，來預(yù)測患者對藥物的反應(yīng)。

在這種模式下，CODE-AE具備兩個特點。

第一，它可以提取不連貫樣本中的常見生物信號和私有表示，從而排除掉由于數(shù)據(jù)模式不同帶來的干擾。

第二，將藥物響應(yīng)信號和混雜因素分離后，還可以實現(xiàn)局部對齊。

總結(jié)來看，CODE-AE可以理解為在標記和無標記數(shù)據(jù)的非相干數(shù)據(jù)模式嵌入空間中，選擇唯一特征的過程。

為了論證模型的有效性，研究人員對9808位癌癥患者的藥物適用情況進行預(yù)測。

如果模型對患者情況預(yù)測出的位點結(jié)果，和他使用的藥物靶點有關(guān)，就證明預(yù)測是正確的。

然后，研究人員將患者分為100個聚類，將59種藥物也分為30個聚類。

通過這種分析方法，可以讓具有相似藥物反應(yīng)譜的患者被分在一起。

在此，我們以肺鱗狀細胞癌患者（LSCC）和非小細胞肺癌患者（NSCLC）的聚類為例。

在59種藥物中，LSCC最敏感的藥物為吉非替尼、AICAR和吉西他濱。

其中吉非替尼、AICAR的作用靶點都是一種表皮生長因子受體(EGFR)，吉西他濱常被用于沒有EGFR突變的非小細胞肺癌治療。

論文表示，和這些藥物作用模式一致，CODE-AE發(fā)現(xiàn)使用吉非替尼、AICAR的患者，藥物反應(yīng)圖譜相似。

也就是說，CODE-AE發(fā)現(xiàn)了患者治療的正確靶點，即可以預(yù)測適用藥物。

通訊作者系中科大校友

如上研究團隊來自紐約市立大學。

通訊作者為Lei Xie，他本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學高分子物理專業(yè)。

碩士畢業(yè)于羅格斯大學計算機科學專業(yè)；博士同在羅格斯大學，但拿的是化學系學位。

據(jù)了解，該研究團隊下一步將開發(fā)CODE-AE對新藥臨床反應(yīng)在濃度、代謝方面的預(yù)測功能。

研究人員表示，該AI模型還有可能被調(diào)整為用于預(yù)測藥物對人體的副作用影響。

值得一提的是，Nature子刊《Nature Machine Intelligence》專門關(guān)注人工智能和生命科學跨學科應(yīng)用研究，每年收錄論文平均數(shù)量在60篇左右。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s42256-022-00541-0

參考鏈接：
https://phys.org/news/2022-10-ai-accurately-human-response-drug.html