Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben eine KI-Plattform entwickelt, die Moleküle autonom vergleicht und aus ihren Variationen lernt, um Eigenschaftsunterschiede zu antizipieren, die für die Entdeckung neuer Arzneimittel entscheidend sind. Die Plattform bietet Forschern ein genaueres und effizienteres Werkzeug zur Entwicklung von Therapeutika und anderen Chemikalien mit nützlichen Eigenschaften.
Die Forschung war veröffentlicht am 27. Oktober im Zeitschrift für Chemieinformatik.
Algorithmen des maschinellen Lernens werden zunehmend verwendet, um die biologischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften kleiner Moleküle zu untersuchen und vorherzusagen, die bei der Arzneimittelentwicklung und anderen Materialdesignaufgaben verwendet werden. Diese Tools können Forschern helfen, die wichtigsten „ADMET“-Eigenschaften eines Moleküls zu verstehen – wie es absorbiert, verteilt, metabolisiert, ausgeschieden wird und welche Toxizität es im Körper hat. Durch das Verständnis dieser unterschiedlichen Eigenschaften können Forscher Moleküle identifizieren, um neue Therapeutika zu entwickeln, die sicherer und wirksamer sind.
Während bestehende maschinelle Lernplattformen es Forschern ermöglichen, eine viel größere Anzahl von Molekülen zu untersuchen, als dies bei der physikalischen Herstellung aller Moleküle in einem Labor möglich wäre, können sie jeweils nur die Eigenschaften eines Moleküls vorhersagen, was ihre Gesamteffizienz bei der Identifizierung der Moleküle einschränkt optimale Verbindung.
Zwar gibt es einige andere rechnerische Ansätze, um diesen zusätzlichen Schritt einzusparen und Moleküle direkt zu vergleichen, doch sind diese in ihrem Umfang begrenzt. Beispielsweise sind Methoden wie die Störung der freien Energie sehr genau, aber so rechenintensiv, dass sie jeweils nur eine Handvoll Moleküle auswerten können. Ansätze wie passende Molekülpaare hingegen sind viel schneller, können aber nur sehr ähnliche Moleküle vergleichen, was ihre breitere Anwendung einschränkt.
Um dieses Problem anzugehen, haben Reker und Zachary Fralish, ein Ph.D. Student im Reker-Labor, entwickelte DeepDelta, einen Deep-Learning-Ansatz, der zwei Moleküle gleichzeitig effizient vergleichen und die Eigenschaftsunterschiede zwischen ihnen vorhersagen kann, selbst wenn sie sehr unterschiedlich sind.
„Indem Sie das Netzwerk aus einem Eins-zu-eins-Vergleich lernen lassen, geben Sie ihm mehr Datenpunkte, als wenn es jeweils von einem Molekül lernen würde“, sagte Reker. „Die Plattform lernt etwas über die Struktur und Eigenschaften jedes einzelnen Moleküls, aber auch über die Unterschiede zwischen den beiden und wie diese Unterschiede die Eigenschaften des Moleküls beeinflussen.“
Das Team testete die DeepDelta-Plattform mit zwei hochmodernen Modellen auf diesem Gebiet: Random Forest, einem weit verbreiteten klassischen Modell für maschinelles Lernen, und ChemProp, einem tiefen neuronalen Netzwerk, auf dem DeepDelta basiert. Jedes System verglich zwei bekannte Molekülstrukturen und sagte zehn verschiedene ADMET-Eigenschaften voraus, darunter die Art und Weise, wie die Moleküle aus den Nieren ausgeschieden werden, ihre jeweiligen Halbwertszeiten und wie gut sie von der Leber verstoffwechselt werden können.
DeepDelta erwies sich bei der Vorhersage und Quantifizierung der Unterschiede in den molekularen Eigenschaften zwischen Molekülen als deutlich effektiver und präziser als die bestehenden Plattformen.
„Das Training auf molekularen Unterschieden ermöglicht es dieser Methode, genauer zu entscheiden, ob eine neue Chemikalie besser oder schlechter als eine aktuelle ist“, sagte Fralish. „Es ist so, als würde man Hausaufgaben machen, die eher einem Test ähneln. Außerdem haben wir durch die Paarung die Größe unserer Datensätze erheblich erweitert und unseren Modellen im Grunde mehr Hausaufgaben gegeben, was datenhungrigen neuronalen Netzen wirklich dabei hilft, mehr zu lernen.“
Das Team freut sich nun darauf, dieses Modell in seine Arbeit zu integrieren, während es potenzielle neue Therapien entwickelt und bestehende Medikamentenkandidaten optimiert.
„Mit diesem Tool könnten wir uns ein Medikament ansehen, das es fast bis zur FDA-Zulassung geschafft hätte, aber möglicherweise Probleme mit der Lebertoxizität hatte, sodass es nicht ganz durchgekommen ist“, sagte Fralish. „DeepDelta könnte dabei helfen, Moleküle zu identifizieren, die die gleichen guten Eigenschaften haben, aber keine Lebertoxizität aufweisen. Dieses Tool eröffnet viele Möglichkeiten, indem es uns hilft zu entscheiden, welche Chemikalie die besten Chancen hat, in der realen Welt das zu tun, was wir wollen, und so Zeit und Geld zu sparen.“ “
Mehr Informationen:
Zachary Fralish et al., DeepDelta: Vorhersage von ADMET-Verbesserungen molekularer Derivate mit Deep Learning, Zeitschrift für Chemieinformatik (2023). DOI: 10.1186/s13321-023-00769-x