利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)抗癌納米顆粒

馬修·敦敦諾茲 （Matthew Tontonoz） 吉姆·斯托拉德 （Jim Stallard）

馬修·敦敦諾茲 （Matthew Tontonoz）

吉姆·斯托拉德 （Jim Stallard）

個(gè)性化抗癌藥物已經(jīng)從渺茫的希望發(fā)展到臨床試驗(yàn)階段。針對(duì)腫瘤獨(dú)特的遺傳缺陷，腫瘤學(xué)家不斷地將治療方法個(gè)性化。但是，由于這些個(gè)性化藥物在抵達(dá)腫瘤的同時(shí)也同樣觸及健康組織，所以即使是最有針對(duì)性的治療也會(huì)導(dǎo)致有害的副作用。

美國(guó)斯隆-凱特林癌癥研究中心斯隆-凱特林研究所（SKI）的納米技術(shù)專家設(shè)計(jì)了一種新方法，有助于避免靶向治療帶來的損害，提高個(gè)性化藥物的精準(zhǔn)度。丹尼爾·海勒（Daniel Heller）博士是SKI負(fù)責(zé)分子藥理學(xué)項(xiàng)目的化學(xué)家兼威爾-康奈爾醫(yī)學(xué)科學(xué)研究生院的助理教授，他說：“我們找到了一種辦法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算法則設(shè)計(jì)出強(qiáng)效納米藥物，這種藥物可以發(fā)揮更強(qiáng)的效力和更加安全的、更加個(gè)性化的抗病作用。”

海勒的實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的納米技術(shù)能夠提高癌癥的監(jiān)測(cè)效率，改善癌癥的治療效果。他們這種計(jì)算機(jī)輔助的方法能夠?qū)缀跛蟹N類的個(gè)性化藥物裝進(jìn)納米顆粒中，有助于使這些藥物更加安全，并發(fā)揮出更大的效力。

設(shè)計(jì)納米藥物

納米顆粒是指直徑小于人類頭發(fā)千分之一的物體。以前，科學(xué)家們?cè)?jīng)利用納米顆粒在人體內(nèi)輸送藥物。但是到目前為止，一直讓科學(xué)家們感到棘手的問題是：需要設(shè)計(jì)不同的納米顆粒來輸送許多較新的抗癌藥物，因?yàn)槊恳环N藥物與顆粒的新型組合都需要在實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)上進(jìn)行大量的開發(fā)工作。海勒博士稱：“科學(xué)家們一直利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行工作，取得了令人驚嘆的成就，如自動(dòng)駕駛車輛，或者幫助科學(xué)家們?cè)诖罅康娜祟惢蚪M數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)各種模式。因此我們認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)可能會(huì)幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出更佳的納米藥物。”

海勒博士和他實(shí)驗(yàn)室里的博士后研究員約西·沙邁（Yosi Shamay）博士觀察到，一些藥物很容易裝進(jìn)納米顆粒，而另外一些藥物就不容易裝進(jìn)納米顆粒。他們想知道是否能夠確定藥物的哪些性質(zhì)影響了其構(gòu)成顆粒的能力，他們利用機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算法則篩選了許多類型的數(shù)據(jù)，確定了能夠構(gòu)成高質(zhì)量顆粒的藥物所具備的共同要素。

沙邁說：“事實(shí)證明，根據(jù)藥物的結(jié)構(gòu)，我們可以非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)是否能夠形成顆粒。”此外，沙邁和海勒還逆向運(yùn)用這個(gè)方法，設(shè)計(jì)出一種更加容易裝進(jìn)納米顆粒之中的藥物分子。以前的納米顆粒多數(shù)是由聚合物和一點(diǎn)點(diǎn)靶向藥物組成的，其中聚合物的用途相當(dāng)于一種膠質(zhì)。這種新型顆粒包含高達(dá)90%的藥物，其效力要高得多。

幫助藥物擊中目標(biāo)

SKI的科學(xué)家利用一類被稱為MEK抑制劑的藥物，展示了納米顆粒的有效性。這種精準(zhǔn)藥物療法對(duì)于某些癌癥來說是有效的療法，其中包括黑色素瘤和肺癌，這些癌癥有著某類共同的突變。但是，MEK抑制劑也會(huì)破壞皮膚中的正常細(xì)胞，引起嚴(yán)重的皮疹，限制了藥物的施用量。

海勒和沙邁跟SKI計(jì)算化學(xué)家約翰·喬德拉（John Chodera）博士的實(shí)驗(yàn)室人員，以及癌癥生物學(xué)家兼SKI癌癥生物學(xué)和遺傳學(xué)項(xiàng)目主任斯科特·洛威（Scott Lowe）博士進(jìn)行了合作，于2018年發(fā)表了上述研究成果。該團(tuán)隊(duì)將MEK抑制劑裝進(jìn)納米顆粒中，使其跟腫瘤血管中發(fā)現(xiàn)的一種特定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生親和力。他們利用患癌小鼠作為研究對(duì)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些納米顆粒到達(dá)腫瘤血管結(jié)構(gòu)中，在不影響皮膚的情況下?lián)糁辛四繕?biāo)。

海勒說：“如果我們將這些新藥有針對(duì)性地直接輸送到腫瘤中，使其遠(yuǎn)離正常組織，它們的效果會(huì)好得多，副作用也就不會(huì)那么嚴(yán)重了……這就是我們希望這項(xiàng)納米技術(shù)能夠做到的事情。”

監(jiān)視腫瘤生長(zhǎng)

海勒的實(shí)驗(yàn)室也專注于癌癥的檢測(cè)工作。海勒跟同事一起證明了納米技術(shù)可以提供有關(guān)疾病生物標(biāo)記物的信息，而生物標(biāo)記物就是能夠顯示出生物活性的分子，比如，這種分子能夠顯示出一個(gè)腫瘤是否正在生長(zhǎng)。

植入式納米傳感器可以提供一種方法，在無需進(jìn)行重復(fù)活檢和成像掃描的情況下，可以監(jiān)測(cè)癌癥治療的有效性。海勒的傳感器是利用被稱為納米管的微型碳棒制作的，可以綁定在特定的生物標(biāo)記物上，然后能夠釋放出特定波長(zhǎng)的無害紅外光。紅外光可以穿過幾厘米厚的組織，然后研究人員仍舊能夠很容易地對(duì)其進(jìn)行探測(cè)和分析。因此，可以將這種傳感器植入到皮膚下面。將一個(gè)小型設(shè)備戴在手腕上，可以探測(cè)到傳感器的信號(hào)，可以用作一種監(jiān)測(cè)身體狀況的健康跟蹤器。

2017年，這項(xiàng)技術(shù)報(bào)道在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》雜志上。對(duì)于身體中的病灶活性狀況，該技術(shù)可以揭示出有價(jià)值的信息。在患癌的高風(fēng)險(xiǎn)人群中，以及在得到成功治療但極有可能復(fù)發(fā)的人群中，這些傳感器可以用來探測(cè)癌癥信息。在那些正在接受治療的人群中，一旦需要，這些傳感器能夠立刻報(bào)告一種生物標(biāo)記物是正在上升還是正在下降，能夠幫助醫(yī)生了解是否要從一種藥物治療變換到二線治療。

最近，海勒博士及其實(shí)驗(yàn)室里的博士后研究員瑞恩·威廉姆斯（Ryan Williams）博士跟來自紐約大學(xué)的同行們進(jìn)行了合作，他們證明了相同的植入式納米傳感器可以在患病的動(dòng)物身上探測(cè)出卵巢癌，這一發(fā)現(xiàn)報(bào)道在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

海勒說：“這聽起來就像科幻小說，但是我們正在努力使其成為現(xiàn)實(shí)。我們的目標(biāo)是，對(duì)最有希望的先進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)，將其應(yīng)用于臨床試驗(yàn)中。”

（胡德良譯自科學(xué)美國(guó)人網(wǎng)站scientificamerican.com）