整整60年，人類在抗生素研究方面沒有取得任何重要進(jìn)展。

然而，這一空白被AI打破了！

最近，MIT的科學(xué)家們利用AI發(fā)現(xiàn)了一種全新的抗生素類別，用于對(duì)抗耐藥性金黃色葡萄球菌（MRSA）。

21名研究者共同撰寫了這篇論文，登上了Nature。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06887-8

MRSA細(xì)菌，又稱耐藥金黃色葡萄球菌，已經(jīng)困擾了人類多年。感染者輕則皮膚感染，重則感染肺部和血液，甚至危及生命。

根據(jù)歐洲疾病預(yù)防控制中心（ECDC）的數(shù)據(jù)，歐盟每年有近150000例MRSA感染，而每年死于抗菌素耐藥性感染的有近35000人。

而發(fā)現(xiàn)對(duì)抗MRSA全新抗生素的，就是一種可解釋的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在數(shù)百萬化合物中篩選，研究人員在小鼠中測(cè)試了283種有前景的化合物，其中幾種對(duì)MRSA有治療效果。

LeCun、Tegmark等AI界的大佬紛紛動(dòng)手轉(zhuǎn)發(fā)了這一AI的重磅發(fā)現(xiàn)。

通過深度學(xué)習(xí)模型，AI又一次改變了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的游戲規(guī)則。

有人表示，這更證實(shí)了a16z bio+health的創(chuàng)始人的觀點(diǎn)：「AI是來治愈人類的，不是來殺死人類的。」

AI發(fā)現(xiàn)新型抗生素，280多種候選

這項(xiàng)發(fā)明，是人類對(duì)抗抗生素耐藥性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

MIT醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)教授James Collins表示，通過這項(xiàng)研究，我們可以看到為了預(yù)測(cè)哪些分子可以成為良好的抗生素，AI模型是如何學(xué)習(xí)的。

「從化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度來看，我們的工作提供了一個(gè)在迄今為止從未有過的框架，在時(shí)間和資源上都很高效，同時(shí)具備深刻的洞察力。」

為了預(yù)測(cè)全新化合物的活性和毒性，團(tuán)隊(duì)使用的是深度學(xué)習(xí)模型。

模型使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)和表征數(shù)據(jù)，無需顯式編程。

這種圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，越來越多地被用于藥物發(fā)現(xiàn)中，來加速識(shí)別潛在的候選藥物，預(yù)測(cè)其特性，并且優(yōu)化藥物的開發(fā)過程。

用于預(yù)測(cè)抗生素活性和人細(xì)胞毒性的深度學(xué)習(xí)模型的集成

為了研究耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (MRSA)，MIT的研究團(tuán)隊(duì)使用擴(kuò)展的數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練了一個(gè)廣泛擴(kuò)展的深度學(xué)習(xí)模型。

為了創(chuàng)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)評(píng)估了大約39000種化合物對(duì)MRSA的抗生素活性。

隨后，他們將所得數(shù)據(jù)和有關(guān)化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，輸入到模型中。

論文主要作者之一、MIT工學(xué)院和哈佛博士后Felix Wong表示，這個(gè)過程，仿佛就像在打開一個(gè)黑匣子。

「這些模型由模擬神經(jīng)連接的超大規(guī)模數(shù)字計(jì)算組成，沒有人真正知道引擎蓋下面究竟發(fā)生了什么。」

化學(xué)空間的過濾和可視化

為了完善潛在藥物的選擇，研究人員又引入了3個(gè)深度學(xué)習(xí)模型。他們對(duì)這些模型進(jìn)行了訓(xùn)練，以評(píng)估化合物對(duì)三種不同類型人類細(xì)胞的毒性。

通過將這些毒性預(yù)測(cè)與之前確定的抗菌活性相結(jié)合，研究人員準(zhǔn)確地找到了能夠有效對(duì)抗微生物，同時(shí)對(duì)人體傷害最小的化合物。

利用這套模型，他們篩選出了大約1200萬種市售化合物。最終，這些模型確定了5種不同類別的化合物，根據(jù)分子中特定的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，這些化合物對(duì)MRSA具有預(yù)測(cè)的活性。

隨后，研究人員獲得了其中約280種化合物，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)MRSA進(jìn)行了測(cè)試。通過這種方法，他們從同一類化合物中發(fā)現(xiàn)了2種最有希望的候選抗生素。

果然，在涉及兩種小鼠模型（一種是MRSA皮膚感染模型，另一種是MRSA全身感染模型）的實(shí)驗(yàn)中，每種化合物都能將MRSA的數(shù)量減少10倍以上。

可預(yù)測(cè)抗生素結(jié)構(gòu)的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

研究人員推斷，可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來學(xué)習(xí)，與抗生素活性相關(guān)的化學(xué)子結(jié)構(gòu)，從而預(yù)測(cè)相關(guān)的抗生素結(jié)構(gòu)。

研究人員開發(fā)了一個(gè)叫做Chemprop的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過可解釋的、基于子結(jié)構(gòu)的方法，來引導(dǎo)探索化學(xué)空間。

可解釋的人工智能

研究人員使用的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含了每個(gè)分子的原子和鍵中的信息，以現(xiàn)實(shí)中的子結(jié)構(gòu)為依據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

確定這個(gè)基本原理可以為模型的可解釋性提供保證：符合子結(jié)構(gòu)規(guī)律的化合物將得到更高的分?jǐn)?shù)。

利用這種方法，模型可以從大型化學(xué)庫(kù)中識(shí)別潛在的抗生素：從藥物再利用中心（包括約6000個(gè)分子）中發(fā)現(xiàn)了halicin和abaucin，并從ZINC15庫(kù)（約1.07億個(gè)分子）中發(fā)現(xiàn)了其他抗菌化合物。

通過在測(cè)量抗生素活性和人類細(xì)胞毒性的大型數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，極大地?cái)U(kuò)展了用于抗生素發(fā)現(xiàn)的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并且假設(shè)可以使用圖搜索算法在化學(xué)子結(jié)構(gòu)水平上解釋模型預(yù)測(cè)（如下圖所示）。

由于抗生素類別通常是在共享子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上定義的，因此，子結(jié)構(gòu)識(shí)別可以更好地解釋模型預(yù)測(cè)，有效地探索化學(xué)空間，并促進(jìn)發(fā)現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)類別。

基于這個(gè)訓(xùn)練有素的Chemprop模型，利用圖的搜索算法，研究人員能夠在單個(gè)分子的背景下確定具有預(yù)先指定閾值的原子數(shù)。

使用蒙特卡洛樹搜索來確定包含至少8個(gè)原子并表現(xiàn)出大于0.1的高抗生素預(yù)測(cè)分?jǐn)?shù)。

如上圖a所示，蒙特卡洛樹搜索包括選擇初始子結(jié)構(gòu)，迭代修剪子結(jié)構(gòu)，以及選擇刪除，當(dāng)子圖作為輸入傳遞到Chemprop時(shí)，預(yù)測(cè)得分很高。

過濾和可視化化學(xué)空間

研究人員用所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)集重新訓(xùn)練了20個(gè)Chemprop模型的集成，從而產(chǎn)生了四個(gè)預(yù)測(cè)抗生素活性、HepG2細(xì)胞毒性、HSkMC細(xì)胞毒性和IMR-90細(xì)胞毒性的集成。

使用這些集成來預(yù)測(cè)12076365種化合物的抗生素活性，和細(xì)胞毒性特征，其中包括來自Mcule數(shù)據(jù)庫(kù)的11277225種化合物，還有來自Broad Institute數(shù)據(jù)庫(kù)的799140種化合物（如下圖所示）。

根據(jù)預(yù)測(cè)的抗生素活性和細(xì)胞毒性過濾了感興趣的化合物，最初僅保留了Mcule庫(kù)中抗生素預(yù)測(cè)評(píng)分大于0.4的3004種化合物，以及從Broad Institute庫(kù)中保留了抗生素預(yù)測(cè)評(píng)分大于0.2的7306種化合物。

上圖是抗生素預(yù)測(cè)得分高和低的化合物（t-SNE圖），顯示了各種化合物的化學(xué)相似性或不相似性。

實(shí)驗(yàn)效果

接下來看一下模型發(fā)現(xiàn)的化合物是否具有抗生素的效果。

這里研究了化合物1在局部和全身給藥時(shí)，對(duì)小鼠治療MRSA的療效。

實(shí)驗(yàn)使用氨基糖苷類和耐四環(huán)素的MRSA臨床分離株，在中性粒細(xì)胞減少小鼠淺表皮膚感染模型中，測(cè)試了局部給藥。

與載體相比，用化合物1處理可將平均細(xì)菌載量降低約1.2個(gè)對(duì)數(shù)（如下圖所示），顯示出與complestatin和corbomycin相似的功效。

接著，研究人員使用MRSA的噁唑烷酮（oxazolidinone）耐藥臨床分離株，進(jìn)一步測(cè)試了小鼠中性粒細(xì)胞減少性大腿感染模型中，化合物1的全身給藥。

與載體處理相比，用80mg/kg的化合物1處理可顯著降低平均細(xì)菌負(fù)荷約1.2個(gè)log（如下圖所示）。

化合物1在大腿感染模型中的功效表明，化合物1和2，以及其它結(jié)構(gòu)類似的化合物，可以作為新型候選抗生素進(jìn)行開發(fā)。

AI比人類更快地挖掘數(shù)據(jù)集

「科學(xué)美國(guó)人」對(duì)研究背后團(tuán)隊(duì)的一篇采訪中，更具體闡述了研究人員對(duì)AI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中作用的觀點(diǎn)。

問：人工智能在篩選和識(shí)別新的抗生素化合物方面比人類有什么優(yōu)勢(shì)？

一般來說，人工智能和機(jī)器可以系統(tǒng)地、非常快速地挖掘結(jié)。或任何類型的數(shù)據(jù)集。

傳統(tǒng)上，科學(xué)家大約需要花費(fèi)12年的時(shí)間，才能發(fā)現(xiàn)一種新的抗生素。然后，再到發(fā)現(xiàn)任何臨床候選藥物，還需要3-6年的時(shí)間。

最后，你還需要將它們過渡到I期、II期和III期臨床試驗(yàn)。

而現(xiàn)在，有了機(jī)器，便能夠加速這一進(jìn)程。

以我和同事的工作為例，我們現(xiàn)在可以在幾小時(shí)內(nèi)，發(fā)現(xiàn)數(shù)千，甚至數(shù)十萬臨床前候選藥物，而無需等待3-6年。

總的來說，是人工智能幫我們實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

問：為了將這類新的抗生素轉(zhuǎn)化為臨床藥物，需要后續(xù)采取哪些步驟？

這里還是一個(gè)空白領(lǐng)域。你需要系統(tǒng)的毒性研究，然后是IND研究。

美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局會(huì)要求你進(jìn)行這些研究，以評(píng)估這一令人興奮的藥物，是否可以過渡到I期臨床試驗(yàn)。這是任何臨床試驗(yàn)的第一階段。

同時(shí)，我認(rèn)為，這是AI在微生物學(xué)和抗生素領(lǐng)域取得一個(gè)非常令人興奮的進(jìn)步，我夢(mèng)想有一天可以創(chuàng)造出能夠拯救生命的抗生素。

問：這項(xiàng)新研究中確定的化合物，對(duì)小鼠體內(nèi)的MRSA等微生物有有效的殺滅作用，對(duì)嗎？

是的，他們?cè)趦煞N小鼠模型上進(jìn)行了展示。有趣的是，研究表明這些化合物實(shí)際上能夠減少小鼠模型中的感染

作為利用AI的另一個(gè)例子，我們最近在實(shí)驗(yàn)室中挖掘了已經(jīng)滅絕生物的基因組和蛋白組，能夠確定許多臨床抗生素候選藥物。

問：為什么讓人工智能模型「可解釋」，這一點(diǎn)很重要？

我認(rèn)為，如果有一天我們將AI視為一門工程學(xué)科，這一點(diǎn)很重要。

在工程學(xué)中，你總是能夠拆開構(gòu)成某種結(jié)構(gòu)的不同部件，你知道每一塊都在做什么。但在人工智能和深度學(xué)習(xí)情況下，由于它是一個(gè)黑匣子，我們不知道中間過程會(huì)發(fā)生什么。

所以，開始挖掘「黑盒」以了解每個(gè)步驟中實(shí)際發(fā)生的事情，這對(duì)于我們將AI轉(zhuǎn)化為工程學(xué)科是關(guān)鍵的一步。

正確方向的第一步是使用可解釋的AI，以試圖理解機(jī)器實(shí)際在做什么，讓它變得不再是一個(gè)黑盒。