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爽風(fēng)
據(jù)外媒報(bào)道，抗體不僅由我們的免疫細(xì)胞產(chǎn)生，以對抗體內(nèi)的病毒和其他病原體。幾十年來，醫(yī)學(xué)界也一直在使用生物技術(shù)生產(chǎn)的抗體作為藥物。這是因?yàn)榭贵w非常善于根據(jù)“鎖鑰原理”專門與分子結(jié)構(gòu)結(jié)合。它們的用途包括從腫瘤學(xué)到治療自身免疫性疾病和神經(jīng)退行性疾病等。
然而，開發(fā)這種抗體藥物并不簡單?；疽笫强贵w以較佳方式與其目標(biāo)分子結(jié)合。同時(shí)，一種抗體藥物必須滿足一系列的額外標(biāo)準(zhǔn)。例如，它不應(yīng)該在體內(nèi)引發(fā)免疫反應(yīng)，它應(yīng)該利用生物技術(shù)有效地生產(chǎn)，并且它應(yīng)該在很長一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。
一旦科學(xué)家們找到了與所需分子目標(biāo)結(jié)構(gòu)結(jié)合的抗體，開發(fā)過程就遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。相反，這標(biāo)志著一個階段的開始，在這個階段中，研究人員利用生物工程來嘗試改善抗體的特性。由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)生物系統(tǒng)科學(xué)和工程系教授Sai Reddy領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，支持這一優(yōu)化階段，幫助開發(fā)更有效的抗體藥物。
機(jī)器人無法管理超過幾千個
當(dāng)研究人員以治療形式優(yōu)化整個抗體分子時(shí)(即不僅僅是抗體的一個片段)，過去是以一個與所需目標(biāo)結(jié)構(gòu)合理結(jié)合的候選抗體開始。然后研究人員隨機(jī)突變攜帶抗體藍(lán)圖的基因，以便在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生幾千個相關(guān)的候選抗體。下一步是在它們之間進(jìn)行搜索，以找到與目標(biāo)結(jié)構(gòu)結(jié)合較好的抗體。"通過自動化流程，你可以在實(shí)驗(yàn)室中測試幾千個候選治療藥物。但要篩選出比這更多的東西其實(shí)并不可行，"Reddy說。通常情況下，這種篩選中較好的十幾種抗體將進(jìn)入下一步，并測試它們滿足額外標(biāo)準(zhǔn)的程度。他說："最終，這種方法可以讓你從幾千人的群體中找出好的抗體。
通過機(jī)器學(xué)習(xí)大量增加候選者庫
Reddy和他的同事們現(xiàn)在正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)，將待測的初始抗體集增加到幾百萬。Reddy說：“可供選擇的候選藥物越多，找到真正符合藥物開發(fā)所需的所有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會就越大。”
ETH的研究人員利用羅氏的抗體癌癥藥物赫賽汀為他們的新方法提供了概念證明，該藥物已經(jīng)上市20年了。"但我們并不希望就如何改進(jìn)它提出建議--你不能只是追溯性地改變一種已批準(zhǔn)的藥物，"Reddy解釋說。"我們選擇這種抗體的原因是它在科學(xué)界是眾所周知的，而且它的結(jié)構(gòu)已在開放的數(shù)據(jù)庫中發(fā)表。"
計(jì)算機(jī)預(yù)測
從赫賽汀抗體的DNA序列開始，ETH研究人員使用他們幾年前開發(fā)的CRISPR突變方法創(chuàng)建了大約4萬個相關(guān)抗體。實(shí)驗(yàn)表明，其中1萬個抗體能很好地與有關(guān)的目標(biāo)蛋白，即一種特定的細(xì)胞表面蛋白結(jié)合。科學(xué)家們使用這4萬種抗體的DNA序列來訓(xùn)練一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
然后他們將訓(xùn)練好的算法用于搜索一個包含7000萬個潛在抗體DNA序列的數(shù)據(jù)庫。對于這7000萬個候選抗體，該算法預(yù)測了相應(yīng)的抗體與目標(biāo)蛋白結(jié)合的程度，從而得出了一個預(yù)計(jì)會結(jié)合的數(shù)百萬序列的列表。
利用進(jìn)一步的計(jì)算機(jī)模型，科學(xué)家們預(yù)測了這幾百萬個序列將如何滿足藥物開發(fā)的額外標(biāo)準(zhǔn)(耐受性、生產(chǎn)、物理特性)。這將候選序列的數(shù)量減少到8000個。
科學(xué)家們從他們計(jì)算機(jī)上的優(yōu)化候選序列列表中選擇了55個序列，在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)抗體并描述其特性。隨后的實(shí)驗(yàn)表明，其中幾個序列與目標(biāo)蛋白的結(jié)合甚至比赫賽汀本身更好，而且比赫賽汀更容易生產(chǎn)和更穩(wěn)定。Reddy說：“一種新的變體甚至可能比赫賽汀在體內(nèi)的耐受性更好。眾所周知，赫賽汀會引發(fā)一種微弱的免疫反應(yīng)，但在這種情況下，這通常不是一個問題。"然而，對于許多其他抗體來說，這是一個問題，而且對于藥物開發(fā)來說是必須要預(yù)防的。”
ETH的科學(xué)家們現(xiàn)在正在應(yīng)用他們的人工智能方法來優(yōu)化正在進(jìn)行臨床開發(fā)的抗體藥物。為此，他們最近成立了ETH衍生公司deepCDR Biologics，該公司與早期和成熟的生物技術(shù)和制藥公司合作進(jìn)行抗體藥物開發(fā)。
(原標(biāo)題：科學(xué)家開發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法 幫助設(shè)計(jì)更好的抗體藥物)
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