Nature深度综述:自动化的新药发现

小分子新药的发现并不简单,而是一个多维度的问题。为了满足化合物的疗效、药代动力学、以及安全性等指标,我们需要一再对分子进行优化。最近,《Nature Reviews Drug Discovery》期刊发表了一篇名为《Automating drug discovery》的文章,结合近期在微流控协助的化学合成,以及人工智能等方面的进展,为我们从多个角度介绍了新药发现的自动化流程。在今天的这篇文章中,我们也将为各位读者整理这篇综述中的内容。


我们为什么需要自动化?

“自动化”往往是“更快更好”的近义词。在新药研发领域,自动化系统并不是一个新兴的词汇。很早之前,中通量到高通量的机器筛选就已经成为了医药行业的标配之一。然而,能将化合物设计、合成、测试进行整合,并自动迭代的一体化系统尚没有在业内得到大规模的应用,这也给未来留下了不少的发展空间。


新分子设计的基本流程(图片来源:《Nature Reviews Drug Discovery》)

近年来,在“器官芯片”和人工智能上取得的进步,有望促进自动化系统的发展。新技术也有可能使得自动化系统进一步减少错误率、减少材料成本、缩短合成与测试的周期、快速对化合物进行反馈和优化、以及对分子进行客观的设计,减少人为带来的偏差(bias)。

分子设计

在传统的新药发现模式中,药物化学家们往往会面临多维度优化的挑战:一款成功的药物分子需要考虑吸收、分布、代谢、排泄、以及毒性(ADMET)等多个属性,我们应该选择分子的哪个属性率先进行优化?

不少专家们提出了一些有望提高成药概率的原则,“里宾斯基五规则”就是这样的例子。人工神经网络的早期应用,则让我们开始借助计算机的力量。人们逐渐意识到,我们能够通过对信息的综合分析,决定如何对先导化合物进行选择和优化。相较于基于经验的指导,这样的方式更具理性。

这拓展了de novo的分子设计方法。在这种方法里,由计算机产生的分子设计假设,能决定下一步生产哪些分子。在本篇综述中,作者也给出了一些经典的案例,彰显了虚拟分子设计的潜力——无需合成大量分子,机器就能针对性地设计出具有特定属性的分子。


虚拟分子设计无需合成大量分子,就能带来具有特定属性的产物(图片来源:《Nature Reviews Drug Discovery》)

作者指出,这些由电脑协助设计的分子,彰显了这一系统的潜力。将来,借助于计算机的de novo分子设计,将会带来全新的化学分子,且这些分子都会具有想要的性质。而下一步,自然就是如何在自动化药物发现平台上去合成这些分子。

化合物合成与筛选

化合物自动化并行合成有着快速、高通量、可重复性高、以及材料消耗较少等优点。因此,在同等的时间、同样的人力情况下,自动化合成有望带来更多的探索结果。

目前,基于微流控的合成与分析系统在新药发现领域有着较好的应用潜力:在传统的自动化“试错”系统中,算法一次能对一个参数进行调整。这虽然能达到局部最佳,却未必能找到全局最佳。而微流控系统有望带来更为全面和复杂的算法,解决这一问题;此外,药物化学中的原材料成本较高,且部分中间产物可能有未知的潜在风险,而微流控系统有望降低对人体的暴露,且将原材料的消耗降到最低。

作者也在综述中指出,微流控设备不但能为化学带来支持,还能在人类细胞系、生物活检样本、以及器官模型中进行筛选的工作,避免动物模型中的潜在问题。举例来说,我们能利用人类的肝细胞制造“肝脏芯片”,筛选能够结合细胞色素P450的分子,并通过HPLC-质谱技术,分析这些分子会对代谢产生怎样的影响。

一体化的循环

新药发现过程中的一大挑战在于时间成本:许多化学反应耗时较久,而大通量的筛选也势必需要大量时间进行测试。因此,如果能将合成与测试更好地进行联合,就有望进一步提高自动化系统的运行效率。在这篇综述中,作者为我们勾勒出了一幅一体化循环的示意图。这个系统由多个相对独立的功能性元件联合而成,包括了分配器、混合器、反应器、以及检测器等。


传统模式(上)与新模式(下)(图片来源:《Nature Reviews Drug Discovery》)

此外,随着近年来的技术发展,由数据驱动的机器学习方法不再是科幻,而实实在在地成为了可行的方案。作者认为,它也有望被整合入一体化的新药发现平台,依据算法对候选分子进行评分。只有从一开始就找对前进的方向,我们才有望找到潜在的成药分子。

当然,对这些机器学习算法,我们需要辅以大量的数据。用作者的原话说,只有从“大数据”中,机器才能“深度学习”。要知道,潜在的分子结构数量庞大。基于各种数据库里的海量数据,我们终于能开始训练机器算法,识别药物化学分子背后的潜在逻辑与模式,设计并生产出具有合适分子结构的化合物,用于后续的一系列分析。

但作者也指出,尽管机器学习是一个具有突破性的工具,我们也不应该被当下火热的人工智能浪潮冲昏头脑。深度学习很有用,但它不是释放魔法的魔杖。只有找对应用的领域,它才会变得很有用。

机遇与挑战

从目前的一些概念验证性实验与先期应用来看,可以预期一体化、自动化的新药发现系统能带来不少益处,这包括了降低错误率(减少假阳性率),快速执行(更快找到先导化合物),对材料的低消耗(推进绿色化学),更直接的合成方案等。但我们也必须承认,新药设计是一个复杂的过程,而化学结构与生物学活性之间的关系,也是非线性的。因此,在这些自动化的系统在实际应用上,还存在一些局限。

其一是效率与深度之间的平衡。为了增加新药发现项目的生产率,人们往往希望能缩短合成与测试的周期,但这样的系统不易将每次的测试结果都返回给系统,优化初始的假设。作者指出,没有反馈,就没有学习。

第二则是技术上的挑战。尽管我们已经能快速地一步合成单个化合物,或是化合物库,但并不是所有的新药发现的自动化系统都可以做到无缝衔接。举例来说,不同的化学反应需要不同的优化条件,需要不同的特殊硬件设备。不同的试剂也有不同的检测与纯化方案。这些都是将来有待进一步解决和优化的方向。


主动学习的机器学习模型能协助找到想要的分子,但我们需要足够的数据去训练这些算法(图片来源:《Nature Reviews Drug Discovery》)

第三则是机器学习技术上的限制。对于许多新药发现项目来说,人们并没有成百上千个可以用于机器学习的数据。而从有限的数据中获得的洞见,则还有待验证。

后记

从诸多属性来看,新药发现的系统是一个“混沌系统”,具有非线性和随机性等特征。想在这一领域取得成功,则需要在多个维度、多个模型中进行富有技巧性的探索。

从长远看,作者认为一个能够不断学习的人工智能,有望成为未来新药发现的核心。而药物化学家们则能省下时间,从机器模型带来的新颖方案中寻找灵感。作者最终总结说:“通过对自动化系统保有健康合理的怀疑,在化合物设计、合成与测试的计划和实施上应用新技术,并且不担心失控的风险,就有望为新药发现的成功率带来显著的提高。”

来源:药明康德

来源:药明康德(ID:WuXiAppTecChina)

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