“人工智能”(AI)最近在图像和语音识别等领域产生了深远的影响,这一进展已经转化为实际应用。然而,在药物发现领域,这样的进步仍然很少,原因之一是使用的数据本身。在这篇综述中,我们讨论了来自不同领域的数据的方面和差异,即图像、语言、化学和生物领域的数据,可用的数据量,以及它们与药物发现的相关性。未来需要我们对生物系统的理解,以及随后生成足够数量的与实际相关的数据,才能真正推进人工智能在药物发现领域的发展,发现具有新型作用模式的新型化学物质,并在临床中表现出理想的有效性和安全性。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359644621000428?via%3Dihub

人工智能已经改变了许多领域,可能最显著的是图像和语音识别领域,导致了自动护照控制和“虚拟助手”(也涉及隐私等相关问题)。从现在开始,聚焦于技术方面,图像识别方面的最新发展的起点可能是2010年由Schmidhuber和他的同事[1]发表的关于识别手写字符的论文。2012年NIPS发表了一篇关于AlexNet[2]的论文,成功地利用了深度神经网络对图像进行分类,从而使这一领域快速发展起来。这个进展不仅依赖特定的选择由作者(如使用连续卷积和汇聚层,使用修正线性(ReLU)单位,数据增加和dropout 层[3]],还有大量的标记数据可以从ImageNet库[4],以及图形处理单元(GPU)的使用。在语音识别方面,Hochreiter和他的同事[5]所做的诸如长期短时记忆(LSTM)的研究为最近的实际应用铺平了道路,比如在移动设备和虚拟助手上。

人工智能先前成功的领域,如图像分类和语音识别,在以下方面不同于药物发现领域中可用的化学和生物数据:(i)可用数据的数量; ii) 能够将其以合适的形式表示给计算机;iii)与可用数据本质一致的ML算法(例如,波形和RNNs,或图像和CNNs具有这种潜在的一致性,而化学和生物数据不存在这种一致性); iv)分配有意义标签的可能性(在药物发现领域很大程度上取决于情况,如剂量、基因型、试验设置等)。此外,近期的其他进展,如DeepMind在最近的CASP蛋白折叠竞赛中以较大优势获胜[67],也需要评估在药物发现的背景下,这究竟能让我们做些什么。对于蛋白质折叠领域来说,这确实是一个非常重要的发展,因为预测折叠后的蛋白质状态的精确度和速度现在是可能的。然而,在药物发现领域,任何药物的体内有效性和安全性的关键问题仍然和以前一样——我们可能会比以前对接更多的靶点(并进行基于结构的设计),以更快地发现配体;如何将其转化为体内情况是一个完全开放的问题,上面关于“配体”和“药物”发现的评论和以前一样适用。最近关于该主题的全面讨论参见[68]。简而言之,在图像上识别物体、预测蛋白质结构和识别安全有效的药物之间是有区别的。我们将在下面更详细地描述这些差异。

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AI技术中的机器学习、深度学习、自然语言处理等技术能够提高制药数据、信息的处理效率,对于药物研发过程中的新药发现,可以代替研究人员有限的知识储备和想象力,发现原来很难、甚至不可能发现的靶点,这也是AI在制药领域最大的价值点,AI还可以预测候选药物的性能如药物的吸收、代谢、毒性、不良反应等,缩小后期实验范围,降低临床失败概率,大幅降低新药研发的时间、资金成本。机器学习和深度学习算法已在多个药物发现过程中实施,例如肽合成、基于结构的虚拟筛选、基于配体的虚拟筛选、毒性预测、药物监测和释放、药效团建模、定量构效关系、药物重新定位、多药理学和理化活性。过去的证据加强了人工智能和深度学习在该领域的实施。此外,新颖的数据挖掘、管理和管理技术为最近开发的建模算法提供了关键支持。总之,人工智能和深度学习的进步为合理的药物设计和发现过程提供了绝佳的机会,最终将影响人类。

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