近75%
一個(gè)新藥的誕生，通常需投入10億甚至數(shù)十億美元，研發(fā)周期一般超過(guò)10年。而由于AI技術(shù)的加入，如今的藥物研發(fā)成本明顯減少，同時(shí)也大大縮短了研發(fā)時(shí)間。例如，AI將臨床前候選化合物的時(shí)間從平均4年半縮短至約13.7個(gè)月，縮短了近75%。
近日，據(jù)媒體報(bào)道，美國(guó)華盛頓大學(xué)戴維·貝克教授團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表論文，利用人工智能（AI）技術(shù)平臺(tái)精準(zhǔn)地從頭設(shè)計(jì)出能夠穿過(guò)細(xì)胞膜的大環(huán)多肽分子，開(kāi)辟了設(shè)計(jì)全新口服藥物的新途徑。
近年來(lái)，AI加速助力新藥研發(fā)，幾乎參與了從藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)到臨床試驗(yàn)的全流程。在新冠肺炎疫情期間，多款藥物問(wèn)世背后也都有AI的身影，全球AI制藥產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)加速跑。
AI融入藥物研發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)
“AI一詞是約翰·麥卡錫在1956年達(dá)特茅斯會(huì)議上提出的，用來(lái)描述‘制造智能機(jī)器的科學(xué)和工程’。AI差不多也是在這個(gè)時(shí)候被引入到藥物研發(fā)領(lǐng)域的。”南開(kāi)大學(xué)藥學(xué)院教授林建平介紹，1964年，定量構(gòu)效關(guān)系建模領(lǐng)域的建立成為AI開(kāi)始用于藥物研發(fā)的標(biāo)志。
如今，AI在藥物研發(fā)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并與藥物研發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。
一款藥物從無(wú)到有，要?dú)v經(jīng)漫長(zhǎng)且坎坷的過(guò)程。其中主要包括4個(gè)研發(fā)階段，即靶標(biāo)選擇和驗(yàn)證、化合物篩選和先導(dǎo)優(yōu)化、臨床前研究以及臨床試驗(yàn)。而每一個(gè)階段又涉及到許多具體環(huán)節(jié)。
林建平舉例說(shuō)，比如在靶標(biāo)選擇和驗(yàn)證階段，需要確定疾病相關(guān)的靶標(biāo)。根據(jù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)去確定靶標(biāo)，既費(fèi)時(shí)成本又高，而使用AI技術(shù)并結(jié)合已有的組學(xué)大數(shù)據(jù)，根據(jù)已知的以及新產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就可以快速分析出潛在候選靶標(biāo)，節(jié)約時(shí)間和成本；或在已知先導(dǎo)化合物的功效，但是缺少明確靶標(biāo)而導(dǎo)致具體作用機(jī)制和副作用不明確時(shí)，AI可以大范圍預(yù)測(cè)靶標(biāo)，縮小候選靶標(biāo)的范圍，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段快速定位真正的靶標(biāo)。“AI幫助藥物研發(fā)者快速找到靶標(biāo)，加快先導(dǎo)化合物向藥物轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。”林建平介紹。
對(duì)于已有的藥物，AI同樣可以通過(guò)靶標(biāo)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)新的靶標(biāo)，從而發(fā)現(xiàn)新的藥物適應(yīng)癥，這也是一個(gè)非常熱門(mén)的領(lǐng)域——藥物重定位。
在最重要的臨床試驗(yàn)階段，AI的應(yīng)用也起到了事半功倍的效果。“在這一階段，需要在患者身上評(píng)價(jià)藥物的安全性和有效性，AI可以參與到患者的招募、臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析等。”林建平舉例，比如可以通過(guò)AI技術(shù)從過(guò)去的臨床患者中，提取患者的個(gè)人特征、癥狀、治療效果等數(shù)據(jù)，找到最匹配當(dāng)前試驗(yàn)的患者；試驗(yàn)設(shè)計(jì)上，AI可以預(yù)測(cè)合適的藥物劑量、治療方案等；而試驗(yàn)數(shù)據(jù)上，可以采用AI技術(shù)跟蹤和管理患者的實(shí)時(shí)情況，預(yù)測(cè)患者預(yù)后情況等。
AI大大縮減藥物研發(fā)成本
一個(gè)新藥的誕生，通常需投入10億甚至數(shù)10億美元，研發(fā)周期一般超過(guò)10年，成功率卻低于10%。而由于AI的加入，如今的藥物研發(fā)成本減少了上億美元，同時(shí)也大大縮短了研發(fā)時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)可以縮短一半以上。例如，AI將臨床前候選化合物的研發(fā)時(shí)間從平均4年半縮短至約13.7個(gè)月，縮短了近75%。
此外，AI還提高了藥物研發(fā)的成功率。“通俗講，藥物研發(fā)實(shí)際上是一個(gè)試錯(cuò)的過(guò)程，AI可以幫助我們排除大量錯(cuò)誤，最后留給我們的就是更大的成功機(jī)會(huì)。”林建平說(shuō)。
正是由于AI制藥具有對(duì)傳統(tǒng)制藥碾壓式的優(yōu)勢(shì)，使得AI制藥產(chǎn)業(yè)在全球發(fā)展壯大。目前，AI制藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展可概括為三大階段：第一個(gè)階段，AI制藥公司初步形成，主要針對(duì)某個(gè)階段的藥物研發(fā)提供AI技術(shù)服務(wù)；第二個(gè)階段，AI制藥公司開(kāi)發(fā)了成熟的研發(fā)管線(xiàn)，并且開(kāi)發(fā)的藥物進(jìn)入臨床驗(yàn)證，這一階段將吸引大量資本和初創(chuàng)企業(yè)加入；而第三階段，則進(jìn)入到關(guān)鍵的臨床Ⅱ期藥效性實(shí)驗(yàn)，真正證明AI研發(fā)藥物的有效性。
“目前全球AI制藥產(chǎn)業(yè)已步入第三個(gè)發(fā)展階段。”林建平說(shuō)。
我國(guó)AI制藥起步較晚，尚處于第二個(gè)階段。“但是國(guó)內(nèi)的AI制藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度非常快，各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭以及一些大型藥企均開(kāi)始布局AI制藥賽道，當(dāng)然還包括一些初創(chuàng)公司。”林建平表示。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)已有超過(guò)60家AI制藥公司，去年我國(guó)AI制藥融資規(guī)模達(dá)12.36億美元，同比增長(zhǎng)163.54%。
AI制藥存在諸多挑戰(zhàn)
可以說(shuō)，AI已經(jīng)滲透到藥物研發(fā)領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)，促進(jìn)了醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，在未來(lái)極有可能帶來(lái)制藥產(chǎn)業(yè)的變革。隨著目前AI制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在不久的將來(lái)，我們可能很快會(huì)迎來(lái)第一款A(yù)I技術(shù)研發(fā)的創(chuàng)新藥物。在期盼之余，很多人也對(duì)AI研發(fā)的藥物是否具有風(fēng)險(xiǎn)心存疑慮。
“目前來(lái)說(shuō)，我們利用AI研發(fā)的藥物的風(fēng)險(xiǎn)與傳統(tǒng)的藥物研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)是一樣的，包括藥物的副作用、毒性、耐受性等。”林建平解釋說(shuō)，由于目前AI在藥物研發(fā)中大多起著輔助作用，最后仍舊需要經(jīng)過(guò)真實(shí)的試驗(yàn)去驗(yàn)證其安全性和有效性，需要專(zhuān)家去做評(píng)定，所以在風(fēng)險(xiǎn)性上與傳統(tǒng)研發(fā)藥物相同。但是這樣做也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，制藥行業(yè)仍以專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，成為制約AI制藥發(fā)展的最大阻礙。“之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是由于對(duì)AI技術(shù)助力制藥的不信任。”林建平認(rèn)為，隨著接下來(lái)幾年AI藥物的成功上市，這個(gè)問(wèn)題必將得到解決；另一方面，目前AI在藥物研發(fā)全流程中，仍然扮演著輔助工具的角色，沒(méi)有占據(jù)主導(dǎo)地位，這也就決定了AI制藥產(chǎn)業(yè)難以獲得飛躍式發(fā)展。
而且，AI技術(shù)仍在發(fā)展中，數(shù)據(jù)、算法、算力上的突破也需要一定的時(shí)間。如數(shù)據(jù)量不足、數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，算法精度不高、算法無(wú)法滿(mǎn)足需求等，都為AI在藥物研發(fā)和應(yīng)用上帶來(lái)了困難。
此外，AI制藥還面臨許多其他挑戰(zhàn)。比如生命領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究還有很多沒(méi)有解決的問(wèn)題；再比如復(fù)合型人才的缺少，“懂計(jì)算的不懂制藥，懂制藥的不懂計(jì)算”，如何更好地把生物問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算問(wèn)題，然后用數(shù)字手段去解決，這需要大量復(fù)合型人才的參與，而這一類(lèi)人才的培養(yǎng)也是極其耗時(shí)的。
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超算驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代藥物研發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展，AI藥物研發(fā)的進(jìn)程也在“提速”。
此外，超級(jí)計(jì)算平臺(tái)在現(xiàn)代藥物研發(fā)中也發(fā)揮著日益強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)作用，特別是伴隨著“天河”等新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制成功，百億級(jí)虛擬藥物篩選、大規(guī)模全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬、大規(guī)模AI預(yù)訓(xùn)練模型等計(jì)算和智能技術(shù)為現(xiàn)代藥物研發(fā)創(chuàng)新帶來(lái)新機(jī)遇、新發(fā)展。
目前天河超級(jí)計(jì)算平臺(tái)支撐了數(shù)十家機(jī)構(gòu)、上百個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展高性能計(jì)算支撐的虛擬藥物研發(fā)工作，取得了良好的成效。國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心高性能計(jì)算部部長(zhǎng)康波表示，超算團(tuán)隊(duì)將基于天河新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)，研發(fā)物理生化模型與人工智能結(jié)合的藥物設(shè)計(jì)新方法，構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)研發(fā)核心鏈條聚合機(jī)制，探索算數(shù)融合、藥工結(jié)合、研用協(xié)同的信創(chuàng)數(shù)字?jǐn)?shù)值裝置模式，研制面向創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)超算驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代藥物創(chuàng)新發(fā)展的綜合支撐能力。
