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第19章 §04 · 药物发现 · 讲解稿

承接: Ch19 §03 蛋白质 → §04 药物 篇幅: ~4000 字


一 · 一句话总览

AI 药物发现 = 分子生成 + ADMET 预测 + 临床试验优化。从 5 年 + 10 亿 USD → 2 年 + 几千万 USD,AI 让药物研发不再"十年十亿"。


二 · 药物发现 5 大阶段

2.1 Pipeline

Target (靶点) → Hit (苗头) → Lead (先导) → Optim (优化) → Candidate (候选) → 临床
耗时: 1-2 年 / 2 年 / 2-3 年 / 1-2 年 / 5-7 年

2.2 关键问题

  • 靶点成药性 (Drugability)
  • 专利 (IP)
  • ADMET (吸收 / 分布 / 代谢 / 排泄 / 毒性)
  • 选择性 (不伤害正常细胞)

三 · 分子生成

3.1 表示

表示 例子 优点
SMILES CC(=O)Oc1ccccc1C(=O)O 紧凑
分子图 Graph 拓扑清楚
3D 坐标 xyz 物理性质

3.2 生成模型

RNN / Transformer

  • SMILES 序列生成
  • 代表: MolGPT / CHEMBERTa

Graph VAE / GAN

  • JT-VAE / MolGAN
  • 分子图直接生成

Diffusion

  • DiffDock: 3D 分子对接 (结合 pose 预测)
  • DiffMol: 3D 分子生成

RL

  • REINVENT: 奖励 = 活性
  • MolDQN: Deep Q-Network

3.3 实战: REINVENT

from reinvent.models import Mol2Mol

agent = Mol2Mol(
    pretrained_model="reinvent.prior",
    scoring_function="qed",  # 药物相似性
    learning_rate=0.0001,
)
new_molecules = agent.run(num_steps=1000)

四 · 分子性质预测

4.1 ADMET 预测

性质 含义 模型
Absorption 吸收 Caco-2 / HIA
Distribution 分布 PPB / Vd
Metabolism 代谢 CYP450
Excretion 排泄 Clearance
Toxicity 毒性 hERG / AMES

4.2 GNN 模型

  • GraphGym: 通用框架
  • ChemBERTa: 化学版 BERT
  • MolBERT: 分子预训练
  • GEM: Geometry-aware Energy Model

4.3 实战

from rdkit import Chem
from chemprop import predict

mol = Chem.MolFromSmiles("CC(=O)Oc1ccccc1C(=O)O")
props = predict(
    model_path="admet_model.pt",
    smiles=[Chem.MolToSmiles(mol)],
)
print(props)  # {'qed': 0.85, 'logP': 1.19, 'hERG': 0.05}

五 · 靶点发现

5.1 传统方法

  • 文献调研
  • GWAS 分析
  • 动物模型
  • 慢 (5-10 年)

5.2 AI 方法

  • DeepMind AlphaFold: 蛋白质结构
  • Insilico Medicine: AI 找靶点
  • Recursion: 高内涵筛选 + ML
  • Schrödinger: 分子动力学 + AI

5.3 成功案例

Insilico Medicine (2019-2024): - 用 AI 找到 DDR1 / CDK7 / ... 多个新靶点 - INS018_055 (IPF 候选药) 从立项到 IND 仅 18 个月


六 · 临床试验优化

6.1 试验设计

  • 患者招募: AI 匹配 (从 EHR)
  • 剂量选择: PK/PD 模型 + AI
  • 终点优化: surrogate endpoint

6.2 真实世界数据 (RWD)

  • 电子病历 (EHR)
  • 保险数据
  • 影像库
  • 代表: Flatiron Health (被罗氏收购)

6.3 代表公司

  • Unlearn.AI: 数字孪生
  • Tempus: 精准医学
  • PathAI: 病理 AI
  • Deep 6 AI: 患者招募

七 · 代表公司 / 项目

7.1 国外

  • Insilico Medicine (HK / US)
  • Recursion Pharmaceuticals
  • Schrödinger
  • Atomwise
  • Isomorphic Labs (DeepMind)
  • Generate Biomedicines

7.2 中国

  • 英矽智能 (Insilico 中文版)
  • 晶泰科技 (XtalPi) - 量子计算 + AI
  • 望石智慧
  • 百图生科 (BioMap)

7.3 大药企 AI 布局

  • GenAI + Biotech: Genentech + 23andMe
  • Big Pharma: Pfizer / Novartis / Roche / AZ 全部组建 AI 团队

八 · 实战: 端到端示例

import datamol as dm
from molfeat.trans.fp import FPVecTransformer
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

# 1. 数据
mols = dm.data.freesolv().sample(1000)
smiles = mols["smiles"].tolist()
labels = (mols["expt"] < -5).astype(int).tolist()  # 溶解度阈值

# 2. 特征 (分子指纹)
fp = FPVecTransformer(kind="ecfp", length=2048)
X = fp(smiles)

# 3. 训练
model = RandomForestClassifier(n_estimators=100).fit(X, labels)

# 4. 生成新分子 (用 GPT-3 化学版)
candidates = ["CCO", "CCN", "CC(=O)O"]  # 简化
X_new = fp(candidates)
predictions = model.predict_proba(X_new)

九 · 一句话总结

AI 药物发现 = AlphaFold (蛋白) + 分子生成 (新药) + ADMET (性质) + 临床 (优化)。Insilico 18 个月走完传统 5 年, 已成 AI 制药范式。未来 5 年 100+ AI 药物进入临床。