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科学家在虚拟细胞中为“最毒乳腺癌”患者试药……个性化医疗新范式雏形初显?

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癌症治疗作为一门科学实践,目前仍欠缺精确性和可预测性,要求大量试错。

长在不同病人体内的同一类型肿瘤,可能表现得天差地别。对A患者有效的抗癌药物,用到B患者身上可能完全失灵。若有多种药物联合使用,不确定性还会叠加。另一方面,在试错过程中不断累积的副作用,会与持续增殖的肿瘤一起折磨病人身体。

正因治疗缺少精准度,患者才需要精准治疗,需要个性化、定制化的治疗。

医学界总在追求以更快速度定制癌症个性化治疗方案,如今,人工智能有望带来更快更好的方案。

今年9月,杭州西湖大学的研究团队于《自然》(Nature)杂志撰文,介绍了一款针对三阴性乳腺癌的AI虚拟细胞模型。三阴性乳腺癌是一种常能逃避标准疗法的难治性癌症,而该模型可预测不同患病个体对各类药物的反应。

这款虚拟细胞名为ProteinTalks,并未复刻天然细胞的全部细节,而是聚焦于蛋白质,其接受的训练基于一个经过精心整理的大规模数据集。数据集记录了大量实验室癌细胞经药物处理前后,其细胞内蛋白质的变化情况。

相较于现有的药物定制方案,虚拟细胞表现更优,甚至还发现了可能效果更佳的药物新组合。论文通信作者、西湖实验室智能蛋白质组中心主任郭天南表示,这是虚拟细胞模型首次走出实验室,在临床场景中接受验证。

鉴于ProteinTalks模型具备可迁移性,稍作调整便可面向其他癌症类型预测药物反应,我们有理由相信,其应用范围将拓展至乳腺癌之外。

当然,AI虚拟细胞与实际临床应用之间仍有距离。一方面,目前ProteinTalks最多只能评估由两种药物组成的联用方案。另一方面,西湖大学团队仅在实验室培养的患者来源细胞上验证了预测。我们需要人体试验来检验AI建议是否真正有益。

用AI构造减配版本的细胞

每个细胞都如同一座熙熙攘攘的城市。蛋白质在拥挤的内部飞速移动,短暂地相互结合,以此调控细胞功能;脂质分子构筑起具有保护作用的外层细胞膜;信使RNA将遗传指令输送至蛋白质合成工厂……

所有这些功能分子都会向细胞的控制中枢,也就是储存DNA的细胞核,传递反馈信号——信号会调控基因的开启与关闭,从而维持细胞正常运转。

以数字化形式重现复杂细胞系统的构想,听起来不切实际,但这对人工智能而言并非空想。

不同于娇弱的天然细胞,AI构造的虚拟细胞能大幅压缩实验所需的时间和人力成本,让科研人员以极快速度测试海量研究设想。

值得一提的是,瑞典国家生命科学实验室(Science for Life Laboratory,由四所瑞典大学联合运营)已启动宏大的AlphaCell项目,旨在创建AI模型用以预测细胞在健康或疾病状态下如何运作、如何发生适应性改变。

AI虚拟细胞不只是学术前沿,也是产业界疾驰的方向。

谷歌DeepMind联合创始人德米斯·哈萨比斯(Demis Hassabis)在一次访谈中提到,其团队正开发一种由AI驱动的虚拟细胞核,该细胞核相对独立、自成体系,可作为构建完整细胞的起点。

此外,陈‑扎克伯格倡议基金会正与英伟达合作,打造用于运行、评估虚拟细胞的工具和AI模型。

早期构建虚拟细胞的尝试大多依赖单细胞转录组学数据。我们可将此类数据视作关于基因活性的快照,但它们未必反映某一时刻蛋白质的真实活动,而且可能遗漏某些变化。

郭天南等人的新研究另辟蹊径,绕开中间环节。他们不再根据“某一时刻哪些基因处于活跃状态”去推断“那一刻蛋白质的活性”,而是直接基于蛋白质本身来训练AI模型,并依托模型打造新型虚拟细胞。

AI预测蛋白质对癌症药物的反应

基于蛋白质的AI模型训练始终面临一大阻碍:缺乏完备的数据集。

针对数据难题,西湖大学团队选用18种永生化乳腺癌细胞系,其中16种为三阴性乳腺癌,并以63种获FDA批准的抗癌药物和59种常见药物组合处理了这些细胞系,随后分别在4个时间节点,即给药前、给药后6小时、24小时以及48小时,测量了数千种蛋白质,最终总共收获超3800万条蛋白质测量数据(另有细胞存活数据)。

在如此大规模数据集上训练而来的ProteinTalks模型,会有多强大呢?不妨先来看看它捕捉“对治疗有反应的蛋白质”的能力。

根据论文介绍,AI找到了800多种因药而变的蛋白质——它们在细胞内的表达水平(丰度)因药物处理而发生改变;其中某些蛋白的变化格外迅速,而模型也能锁定这一子集。在研究者看来,变化灵敏的蛋白可用作提示早期药物反应的“哨兵”。

总体而言,用药效果符合预期:部分药物会破坏细胞骨架结构,另一些则干扰DNA修复或细胞生长过程,最终促使癌细胞死亡。

在治疗过程中,肿瘤可能逐渐产生耐药性,逃避治疗,导致复发或转移。ProteinTalks识别出多种与肿瘤逃避治疗相关的候选蛋白。这些蛋白质既可作为耐药发生的信号,也有望成为攻克耐药问题的药物靶点。

此外,模型还具备泛化能力。当面对81种训练期间从未见过的药物时,ProteinTalks预测蛋白质变化的准确率达88%,性能优于多款既往模型。

AI预测有效药物并提供用药建议

除了要识别对药有反应的蛋白质,还要预判能让蛋白质起反应的药。

郭天南等人表示,他们使用了900多种药物组合来训练模型,检验模型筛选潜力药物组合的能力。结果表明,对于已被实验验证并投入临床使用的联合用药方案,AI总有识“药”之明,会给出更高评分。

在识药的基础上,ProteinTalks能否完成高阶的任务,比如,针对特定患者筛选用药方案、确定治疗的优先顺序?西湖大学团队探究了AI的这项能力。

他们利用三名乳腺癌患者的蛋白质组学数据,对3000种已获批或处于临床阶段的药物分子进行筛选;模型最终给出的部分治疗方案,与实际能控制患者病情的疗法相吻合,甚至,它还额外推荐了三种可能更有效的分子。

ProteinTalks的预测结果后续被证明有效:针对患者来源的癌细胞样本,AI推荐药物相比常规疗法,能在更低剂量下抑制细胞生长。

ProteinTalks虽然从乳腺癌相关数据中训练而来,但也可适配其他癌症类型——只要输入对应类型的蛋白质组学数据。

测试表明,模型面对实验室培养的黑色素瘤、结直肠癌、肺癌以及胰腺癌细胞,识别出5100多种蛋白质变化,其中包含各癌症类型特有的蛋白变化。

局限与前景

与其他AI虚拟细胞系统一样,ProteinTalks目前仍只能算一个原型。它的概念验证相当成功,但我们也要清楚,模型的预测尚未经过动物实验以及最终临床试验的检验,距离真正的数字孪生仍很遥远。

正如郭天南等人所言,AI预测有可能指引我们寻得难治性癌症的解药,也有可能只是徒有数据却无生物学意义的空想。

ProteinTalks还有一项重要局限:它未能考虑蛋白质之间的相互作用,以及蛋白质与DNA或其他生物大分子之间的相互作用。要知道,这些短暂相互作用可能受药物干扰,由此引发波及整个细胞的连锁效应。

若能将ProteinTalks模型与基于基因活性数据的AI模型相结合,从而补足更多维度的信息,预测准确度或可进一步提升。

资料来源:


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