自動化整合先鋒 | AI驅(qū)動天然產(chǎn)物藥物發(fā)現(xiàn)

AI制藥持續(xù)升溫,如何將自然界中尚未被系統(tǒng)化利用的化學資源轉(zhuǎn)化為真正可開發(fā)的新藥,是行業(yè)關注的關鍵問題之一。Enveda Biosciences提出一條清晰路徑:通過機器學習、知識圖譜與高通量自動化實驗的深度融合,構建“數(shù)據(jù)—算法—實驗”循環(huán),加速早期藥物發(fā)現(xiàn)。
這個技術體系的核心挑戰(zhàn)在于:以突破性的速度,將自然界中海量植物化學物質(zhì)數(shù)字化,并結合真實世界篩選數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為潛在藥物候選。這一挑戰(zhàn)決定了僅依賴算法是遠遠不夠的,必須具備高質(zhì)量、高規(guī)模的實驗數(shù)據(jù)持續(xù)驅(qū)動AI模型。
Enveda解決方案強調(diào)多技術集成:高通量篩選(HTS)、計算代謝組學、知識圖譜以及自動化液體處理系統(tǒng)。其中,Echo聲波移液系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中承擔關鍵角色。Echo以最低2.5 nL的體積進行非接觸式精準分液,實現(xiàn)384孔和1536孔板之間的高效轉(zhuǎn)移,使實驗可以在極小體積下完成,大幅提升篩選通量并降低試劑消耗。
圖1:A. Enveda多重整合平臺將高通量生物學、新型提取/合成化學,以及來自數(shù)個世紀的歷史與文化經(jīng)驗,與前沿的質(zhì)譜技術和機器學習相結合。B. 高通量篩選(HTS)平臺通過基于靶點、通路以及表型的篩選方法,對新型生物學信息進行注釋和解析。
這揭示了AI藥物發(fā)現(xiàn)的核心邏輯:算法能力依賴于實驗數(shù)據(jù),而高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取能力決定了AI系統(tǒng)的上限。
依托這一平臺,Enveda對約4000種植物提取物進行了系統(tǒng)篩選。在基于IL?1β誘導的NF?κB炎癥通路模型中,研究團隊建立了穩(wěn)定的高通量篩選體系,其Z’值超過0.7,驗證了實驗系統(tǒng)的可靠性。其中,Echo系統(tǒng)提供的高精度給藥能力確保了劑量響應曲線的一致性。
篩選結果顯示,一個來源于Plant X的提取物表現(xiàn)出顯著抗炎活性。通過進一步的分級和分析,研究團隊迅速鎖定活性化學簇ESN?X。隨后利用Echo完成的濃度梯度實驗表明,該化合物在NF?κB實驗中的IC50為0.82 μM,在NLRP3炎癥小體模型中的IC50約為2.33 μM,展現(xiàn)出穩(wěn)定且可重復的藥效表現(xiàn)。
圖2:采用IL?1β介導的NF?κB激活進行高通量藥理篩選(左上)。通過在HEK293誘導型報告基因細胞系中檢測IL?1β劑量依賴性的NF?κB/AP?1激活,確定最佳細胞因子濃度(左下)。對Enveda內(nèi)部植物提取物庫及其連續(xù)溶劑分餾進行抗炎活性篩選(右上)。陽性對照化合物在多個實驗板及生物重復中表現(xiàn)出良好的活性重復性(右下)。數(shù)據(jù)表示為8個孔重復的平均值±標準誤。
在數(shù)據(jù)分析層面,知識圖譜發(fā)揮了關鍵作用。Enveda構建的BIOEDGE知識圖譜整合了植物化學、生物通路及疾病信息,并通過機器學習算法識別因果路徑,推斷藥物與疾病之間的潛在聯(lián)系。實驗中,知識圖譜將ESN?X與炎癥相關肝病建立了強關聯(lián),為后續(xù)體內(nèi)實驗提供了方向。
圖3:使用PMA預處理的THP1細胞,在有或無初篩提取物的條件下,聯(lián)合LPS和Nigericin處理,以激活NLRP3炎性小體。通過ELISA檢測IL?1β的產(chǎn)生水平。綠色標注為Plant?X。
在動物實驗階段,研究人員采用急性肝損傷模型(Galactosamine?LPS)。在給藥10 mg/kg和30 mg/kg條件下,ESN?X顯著降低TNFα表達水平,并減少神經(jīng)酰胺累積。同時,小鼠生存率顯著提高,驗證了該化合物在體內(nèi)的有效性。
圖4:暴發(fā)性肝炎小鼠急性肝衰竭模型。C57BL/6N小鼠在GalN/LPS處理前1小時,分別接受ESN?X或?qū)φ蛰d體預處理。肝損傷發(fā)生6小時后,對小鼠實施安樂死并取出肝臟,通過組織學方法評估整體肝損傷及出血情況。qPCR結果顯示,GalN/LPS注射可顯著提高TNFα的mRNA水平,而在ESN?X預處理后該升高呈劑量依賴性下降。同樣,ESN?X還降低了受損小鼠體內(nèi)神經(jīng)酰胺的累積(*P<0.05,**P<0.01)。此外,在急性肝損傷后給予ESN?X處理也顯著提高了小鼠的生存概率。
值得注意的是,這個項目從提取物篩選到活性化合物識別僅用約兩周時間,而從初始篩選到體內(nèi)驗證僅約一個月。這一效率的核心支撐,正是自動化實驗平臺與AI分析系統(tǒng)之間的快速迭代機制。
AI在藥物發(fā)現(xiàn)中的價值,并不單純體現(xiàn)在模型層面,而是嵌入自動化實驗體系,與真實數(shù)據(jù)形成循環(huán)反饋。每一次實驗不僅是驗證,更是數(shù)據(jù)生產(chǎn),從而不斷強化模型預測能力。
Echo聲波移液系統(tǒng)及Access自動化整合系統(tǒng)通過實現(xiàn)超低體積、無接觸、高精度的移液能力,使高通量篩選以黑燈實驗室方式規(guī)模化實施,為AI模型提供持續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)來源。
參考文獻:
1. CASE STUDY: Using AI-driven drug discovery to link novel plant-based chemistry to disease biology.
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