在癌症治疗这件事上,要不要相信人工智能?

简介: 在医疗领域,人工智能的应用往往表现为辅助诊断或者影像检测的「轻」应用,如辅助影像诊断医生筛查早期肿瘤,或是帮助完成病例电子化、流程无人化。

随深度学习技术的应用与成熟,人工智能也在不断拓展疆界。跨越传统的语音、图像、数据挖掘等强相关领域,人工智能正不断与物流、教育、金融等领域碰撞出新灵感。


在医疗领域,人工智能的应用往往表现为辅助诊断或者影像检测的「轻」应用,如辅助影像诊断医生筛查早期肿瘤,或是帮助完成病例电子化、流程无人化。


也许在药物开发和药物选择这样的「重」领域上,人工智能同样能发挥不俗的作用。


新时代的 Lipinski Rule of Five


1997 年,辉瑞公司资深药物化学家 Christopher A. Lipinski 分析了 2,000 多种二期临床后的药物理化特征,总结出了四条非常具体的结论。如果一个化合物违反其中任何两个,将可能面临水溶性或透膜性差的问题:

氢键给体(连接在 N 和 O 上的氢原子数)数目小于 5;

氢键受体(N 和 O 的数目)数目小于 10;

相对分子质量小于 500;

脂水分配系数小于 5。


因为都与 5 相关,这些规则被称为 Rule of Five(RO5)。很快,RO5 成为药物化学家设计药物前必须考虑的因素。


事实上,水溶性或透膜性只是药物设计过程几十个障碍中的两个。2008 年,销量前 10 名的小分子药物中,只有 4 个完全符合 RO5。作为「经验法则」(Rule of Thumb),凭「肉眼」总结、被奉为药物研发圭臬的 RO5,并不能概括药物的全部特征。


微信图片_20211128140216.jpg

Rule of Thumb 来源于用拇指测量木材的木工,指代「使用广泛、但非绝对精确的原则」


「我们认为制药的规则不应该『脑袋一拍』就提出。一个人能见过 1,000 种药物,但不可能见到 10,000、100,000 万种,机器可以做的比人好。」


对于以往随机发现的药物研发方式,人工智能的加入也许能让「大海捞针」变成「有的放矢」。来自 Accutarbio 的创始人范捷博士,本科毕业于复旦大学生命科学院,硕士就读于加州伯克利分校。博士师从 Nikola Pavletich,期间解析了 RPA-DNA 复合物晶体结构;博士后师从 99 年诺贝尔医学奖获得者 Günter Blobel,解析了核孔小体复合物的相关结构。他相信人工智能与实验验证相结合 (hybrid-method),可以加速新一代靶向治疗药物开发,也可以为癌症病人提供更多可选择的治疗方案。


微信图片_20211128140220.jpg

AccutarBio 官网上,创始人范捷的信息


病人使用药物的目的,是改变致病蛋白质的构象,让其被「锁住」停止「作恶」,或者干脆降解消除它们。这也是制药的基本原理——药物像一把开锁(治疗)的「钥匙」,制造钥匙的方法是了解「钥匙孔」(致病蛋白质)的准确形状(构象)。


想要获得蛋白质的构象信息,传统的方法是通过实验。但这种方法的局限也很明显,一方面蛋白质晶体难以培养,另一方面实验中得到的都是在一定条件下瞬间、片面的结构信息;另一种方法则是计算方法,即通过统计学规律,计算出某种情况下蛋白质的结构情况。


AccutarBio 显然选择了第二种。通过运用机器学习方法,学习大分子晶体结构数据库(Protein Data Bank,PBD)中全世界研究者上传的蛋白质、核酸的 X 光晶体衍射、NMR 核磁共振结构数据,AccutarBio 可以在准确描绘钥匙孔形状、选择氨基酸构象这件事上,给出比目前行业好得多的算法。


有了钥匙孔的形状,配钥匙就变得有迹可循。这套算法可以画出钥匙孔中每个氨基酸的构象、蛋白与蛋白相互接触表面的氨基酸构象,在预测「钥匙孔」周围氨基酸位置、钥匙摆放方法和位置构象上,可以提供更高准确性。


目前,AccutarBio 的药物与靶点蛋白的结合模式预测(docking),即为锁「配钥匙」的过程,在准确度和速度上都较行业药物设计领头羊 Schrodinger 有显著提升。「我们的预测更准确的原因,在于使用了基于数据的算法。与常规基于经验和大量物理学假设的方法相比,在数据量足够大时具有明显优势。」


微信图片_20211128140224.jpg

可前往 AccutarBio 的官网查看相关视频示例


与市面上通过调参来预测、设计药物的方法不同,AccutarBio 的算法没有为不同药物的设计使用不同的函数和参数。「并不是把所有问题都解决,至少目前我们的方法论是用一种方法解决不同的问题,这样才有说服力。」目前,AccutarBio 正在进行相关专利申请。



算法衍生的一张表格


如今听起来耳朵长茧的「靶向假说」、「精准医疗」,其实已是医疗界相当新的想法。


19 年前,Peter Nowell 和 Janet Rowley 因对慢性粒细胞白血病(CML)研究的贡献,获得了「小诺贝尔奖」the Albert Lasker 医学研究奖的认可。他们发现 CML 患者基因突变中丢失的 22 号染色体 DNA 片断,「移位」至 9 号染色体,使两种正常蛋白发生结合从而致病。这项研究促成了一种新药物的诞生——格列卫(Gleevec,伊马替尼),这也是历史上第一个成功的靶向治疗药物。


自 1997 年利妥昔单抗被 FDA 批准上市以来,已经有 40 多种靶向治疗药物在市面上流通。但它们仅覆盖了十几个靶点,在人类的基因中,致癌的基因数量的是以千为单位的。


微信图片_20211128140227.jpg

2009 年,致力于研究白血病和其他癌症发病因的 Janet Rowley 被授予总统自由勋章


药物的缺乏也许可以用「老药新用」的方式解决。本为治疗心绞痛开发的西地那非(Sildenafil),如今已是大名鼎鼎的伟哥(Viagra);失败的化疗药物叠氮胸苷(Azidothymidine),也曾被用来治疗 HIV 病毒感染。常用药物同样可能对癌症靶点起作用。


药物与靶点的对应关系还需要通过实验不断去试吗?计算力的提升和机器学习提供了一种可能:用算法替代随机发现的自然科学过程。通过前文所述的算法,AccutarBio 将 FDA 认证过的 1400 多种药物与 10000 个左右的潜在靶点进行匹配计算,得出了一个巨大的对应表格。


计算发现,FDA 认证过的药物中,没有几种药物的优先靶点是它的设计靶点,大部分药物都排在靶点对应药物序列的几百名左右。如果病人已经无药可医,也许这张表格能提供一些选择。


尽管提供了按图索骥的可能,对应关系的验证仍需要大量实验,「这张表更有指向性和预见性,把实验的过程变得更精准」。并非将这张巨大表格当作许愿神灯,范捷希望 AccutarBio 的实验室与合作实验室尽量将这张表格验证填满,「有越来越多实验的支撑,才会真正给病人带来更多临床治疗的选择」。



Accutar——Accurate Targeting「精准打靶」


「算法是下金蛋的鹅。金蛋的今天是表,明天是药,后天可以做一些不同的事情。」


把表格中较强的药物与靶点对应关系找出来,可以直接从临床 II 期或临床 III 期开始药物实验申请认证,是这张表格的运用方式之一。范捷也在不断思考算法和衍生表格的商业模式,不过终点都指向一个方向,「让更多病人尽快受益」


目前 AccutarBio 的团队近 20 名成员,分别来自生物学、化学、计算机科学等不同背景。在上海、纽约均设有实验室,顾问包括诺贝尔奖得主 Günter Blobel、美国国家科学院院士 Jerard Hurwitz 以及 Mount Sinai 的教授 Jin Jian。


微信图片_20211128140232.jpg


「去做别人认为是风险,在我们看来是机会的事。」在学术与创业的岔路口,身为导师的 Günter Blobel 曾给过范捷这样的指引。在创业过程中,不论学术还是融资,Günter Blobel 博士都给予了不少帮助。「他会用他的资源帮你成长,而不是和你抢功劳」,这大概是人们常说名师出高徒的原因。


师徒相协也许是人工智能领域不可忽视的特点之一。无论是在图像识别、NLP 还是其他分支,都能循着这条规律的影子找到不少印证。人工智能大概是门槛最高的创业方向中的一个,先在学术上取得认可也许是最好的选择,包括与其他学科的结合。


AccutarBio 已获得天使轮融资,投资人为真格基金创始人徐小平,目前正在展开 A 轮融资。  微信图片_20211128140335.jpg

相关文章
|
人工智能 安全 算法
你能相信吗?一半人工智能模型从未投入生产
最近发布的Gartner 2022 AI in Organizations调查发现,80%的高管认为自动化可以应用于任何商业决策。随着自动化对商业运营变得越来越重要,该调查探讨了企业如何将人工智能的使用作为其长期自动化战略的一部分。报告估计到2025年,人工智能的商业价值将达到51亿美元。
147 0
你能相信吗?一半人工智能模型从未投入生产
|
16天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 自然语言处理
人工智能在医疗诊断中的应用与前景####
本文深入探讨了人工智能(AI)技术在医疗诊断领域的应用现状、面临的挑战及未来发展趋势。通过分析AI如何辅助医生进行疾病诊断,提高诊断效率和准确性,以及其在个性化医疗中的潜力,文章揭示了AI技术对医疗行业变革的推动作用。同时,也指出了数据隐私、算法偏见等伦理问题,并展望了AI与人类医生协同工作的前景。 ####
33 0
|
20天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 搜索推荐
探索人工智能在现代医疗中的革新应用
本文深入探讨了人工智能(AI)技术在医疗领域的最新进展,重点分析了AI如何通过提高诊断准确性、个性化治疗方案的制定以及优化患者管理流程来革新现代医疗。文章还讨论了AI技术面临的挑战和未来发展趋势,为读者提供了一个全面了解AI在医疗领域应用的视角。
26 0
|
11天前
|
人工智能 缓存 异构计算
云原生AI加速生成式人工智能应用的部署构建
本文探讨了云原生技术背景下,尤其是Kubernetes和容器技术的发展,对模型推理服务带来的挑战与优化策略。文中详细介绍了Knative的弹性扩展机制,包括HPA和CronHPA,以及针对传统弹性扩展“滞后”问题提出的AHPA(高级弹性预测)。此外,文章重点介绍了Fluid项目,它通过分布式缓存优化了模型加载的I/O操作,显著缩短了推理服务的冷启动时间,特别是在处理大规模并发请求时表现出色。通过实际案例,展示了Fluid在vLLM和Qwen模型推理中的应用效果,证明了其在提高模型推理效率和响应速度方面的优势。
云原生AI加速生成式人工智能应用的部署构建
|
6天前
|
数据采集 人工智能 移动开发
盘点人工智能在医疗诊断领域的应用
人工智能在医疗诊断领域的应用广泛,包括医学影像诊断、疾病预测与风险评估、病理诊断、药物研发、医疗机器人、远程医疗诊断和智能辅助诊断系统等。这些应用提高了诊断的准确性和效率,改善了患者的治疗效果和生活质量。然而,数据质量和安全性、AI系统的透明度等问题仍需关注和解决。
100 10
|
13天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
探索人工智能在医疗诊断中的应用
本文深入探讨了人工智能(AI)技术在医疗诊断领域的革新性应用,通过分析AI如何助力提高诊断准确性、效率以及个性化治疗方案的制定,揭示了AI技术为现代医学带来的巨大潜力和挑战。文章还展望了AI在未来医疗中的发展趋势,强调了跨学科合作的重要性。 ###
49 9
|
16天前
|
机器学习/深度学习 数据采集 人工智能
深度探索:人工智能在医疗影像诊断中的应用与挑战####
本文旨在深入剖析人工智能(AI)技术在医疗影像诊断领域的最新进展、核心优势、面临的挑战及未来发展趋势。通过综合分析当前AI算法在提高诊断准确性、效率及可解释性方面的贡献,结合具体案例,揭示其在临床实践中的实际价值与潜在局限。文章还展望了AI如何与其他先进技术融合,以推动医疗影像学迈向更高层次的智能化时代。 ####
|
19天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 自然语言处理
探索未来编程:Python在人工智能领域的深度应用与前景###
本文将深入探讨Python语言在人工智能(AI)领域的广泛应用,从基础原理到前沿实践,揭示其如何成为推动AI技术创新的关键力量。通过分析Python的简洁性、灵活性以及丰富的库支持,展现其在机器学习、深度学习、自然语言处理等子领域的卓越贡献,并展望Python在未来AI发展中的核心地位与潜在变革。 ###
|
19天前
|
机器学习/深度学习 数据采集 人工智能
探索人工智能在医疗诊断中的应用与挑战
随着人工智能技术的飞速发展,其在医疗领域的应用日益广泛,尤其是在疾病诊断方面展现出巨大的潜力。本文将深入探讨AI技术在医疗诊断中的应用现状、面临的挑战以及未来的发展趋势,旨在为相关领域的研究者和从业者提供参考和启示。
41 2
下一篇
DataWorks