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數(shù)據(jù)是人工智能（AI）藥物發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。AI對(duì)高質(zhì)量大數(shù)據(jù)的需求，或?qū)⑼苿?dòng)藥物發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化和規(guī)模化生成。

生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)存在可重復(fù)性“危機(jī)”

有70%的科學(xué)家表示他們無(wú)法復(fù)制另一位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，超過(guò)一半的科學(xué)家表示他們無(wú)法復(fù)制自己的實(shí)驗(yàn)。這是2016年5月英國(guó)《自然》雜志（Nature）對(duì)1576名研究人員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查得出的結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，52%的受訪者同意存在嚴(yán)重的可重復(fù)性“危機(jī)”。根據(jù)拜耳和安進(jìn)公司的統(tǒng)計(jì)，生命科學(xué)已發(fā)表的研究成果中，多達(dá)89%的研究結(jié)果無(wú)法復(fù)制。甚至出現(xiàn)當(dāng)研究結(jié)果無(wú)法重復(fù)時(shí)，研究人員通常會(huì)認(rèn)為這種情況是完全合理的現(xiàn)象。

在生物醫(yī)藥行業(yè)，包括數(shù)據(jù)可重復(fù)性在內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題一直存在。而AI在藥物研發(fā)中的探索和應(yīng)用實(shí)踐，讓這一問(wèn)題更加明顯。

數(shù)據(jù)是AI藥物發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。如果所使用的數(shù)據(jù)可重復(fù)性較差，質(zhì)量參差不齊，那便意味著由此產(chǎn)生的學(xué)習(xí)模型并不可靠。

一些AI藥物發(fā)現(xiàn)初創(chuàng)公司開始意識(shí)到，要充分發(fā)揮AI的價(jià)值，除了從公開來(lái)源、合作伙伴等渠道獲得數(shù)據(jù)以外，還應(yīng)該尋找新的數(shù)據(jù)來(lái)源，比如自建實(shí)驗(yàn)室獲取數(shù)據(jù)（如Exscientia），或?qū)ⅰ皾駥?shí)驗(yàn)”部分外包給合同研究組織（CRO）來(lái)獲得相對(duì)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

還有一些公司獨(dú)辟蹊徑，借助遠(yuǎn)程機(jī)器人來(lái)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。Insilico Medicine與Arctoris的合作便是典型案例。2020年7月，Insilico Medicine宣布與Arctoris建立技術(shù)合作伙伴關(guān)系，前者利用其AI技術(shù)發(fā)現(xiàn)新穎的小分子化合物，后者則在其機(jī)器人平臺(tái)上評(píng)估小分子化合物預(yù)期的生物活性。

遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室或更有優(yōu)勢(shì)

相比于自建實(shí)驗(yàn)室，AI藥物發(fā)現(xiàn)公司將“濕實(shí)驗(yàn)”的部分外包給專業(yè)的CRO或許更為合理，因?yàn)槌杀靖汀６鄬?duì)于傳統(tǒng)的CRO，遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在未來(lái)或許更有優(yōu)勢(shì)。

首先，數(shù)據(jù)可重復(fù)性方面具有優(yōu)勢(shì)。在生命科學(xué)領(lǐng)域，目前大多數(shù)工作流程都是手動(dòng)完成，數(shù)據(jù)捕獲方式很不確定；即便如今已經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代，但大多數(shù)生物學(xué)家仍在依靠手工進(jìn)行移液操作。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室用人工執(zhí)行工作流程，不僅效率低下，而且操作標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，影響數(shù)據(jù)可靠性的主觀因素較多。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室儀器和設(shè)備，讓硬件和軟件無(wú)縫結(jié)合在一起工作，讓科學(xué)家能夠獲得可重復(fù)性更高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而且，在數(shù)據(jù)收集階段機(jī)器人就能獲得干凈的、可用于AI訓(xùn)練的數(shù)據(jù)。

其次，效率優(yōu)勢(shì)明顯。2020年7月，《自然》雜志封面報(bào)道了利物浦大學(xué)研究人員開發(fā)的一款“AI化學(xué)家”機(jī)器人。這款機(jī)器人可以在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中像人類一樣使用各種實(shí)驗(yàn)儀器，自主完成一系列實(shí)驗(yàn)操作。在第一次測(cè)試中，“AI化學(xué)家”機(jī)器人在8天時(shí)間里獨(dú)立完成668個(gè)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出一種全新的化學(xué)催化劑，并且每天工作21.5個(gè)小時(shí)，剩下的時(shí)間用于暫停充電。這款機(jī)器人可以稱量固體、分配液體、從容器中除去空氣、操作催化反應(yīng)和定量反應(yīng)產(chǎn)物，從某種意義上來(lái)說(shuō)，它就是機(jī)器人研究員。

再次，機(jī)器人可以采集更全面的數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。與人類不同的是，機(jī)器人具有無(wú)限的耐心，可以同時(shí)考慮數(shù)十個(gè)甚至更多維度變量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)，還包括環(huán)境條件和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。然后，從實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被匯總和分析，提供給研究人員。

最后，遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室還意味著科學(xué)家與實(shí)驗(yàn)室可以解綁。科研人員并不一定需要擁有自己的實(shí)驗(yàn)室，或者必須在實(shí)驗(yàn)室工作。他們可以在任何地方設(shè)計(jì)化合物，然后讓機(jī)器人合成該化合物，并執(zhí)行后續(xù)的活性驗(yàn)證步驟。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，研究人員可以在全球任何地方下載結(jié)果數(shù)據(jù)。同時(shí)，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室提高了科學(xué)儀器設(shè)備的使用率，也為沒(méi)有資金購(gòu)買昂貴設(shè)備的小型公司和個(gè)人打開了藥物發(fā)現(xiàn)的新世界。

遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室逐漸興起

當(dāng)一些新生事物或新技術(shù)出現(xiàn)以后，把它們連接起來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生很多新的可能。

應(yīng)用于AI藥物發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室包含四大關(guān)鍵技術(shù)：AI技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算。AI技術(shù)用來(lái)生成新的分子或形成假設(shè)，然后交由機(jī)器人執(zhí)行驗(yàn)證操作或?qū)嶒?yàn)方案，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于獲得關(guān)于實(shí)驗(yàn)的多維度實(shí)時(shí)信息；來(lái)自實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、環(huán)境、各種傳感器的信息被匯總交由AI學(xué)習(xí)，進(jìn)入下一個(gè)生成-驗(yàn)證循環(huán)周期進(jìn)行快速迭代；云計(jì)算讓藥物發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)程部署成為現(xiàn)實(shí)。于是，藥物發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反饋、處理形成閉環(huán)。

在全球范圍內(nèi)，遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室正在逐漸興起。

2020年8月底，IBM發(fā)布了一個(gè)運(yùn)行在云端的新化學(xué)實(shí)驗(yàn)室RoboRXN，該實(shí)驗(yàn)室可以幫助科學(xué)家遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和合成新分子。

科學(xué)家可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器在線登錄該實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，畫出他們想要合成的分子化合物的框架結(jié)構(gòu)，然后該平臺(tái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)所需的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)順序，并將指令發(fā)送給遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里的機(jī)器人去執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)完成之后，平臺(tái)會(huì)將結(jié)果報(bào)告發(fā)送給科學(xué)家。

目前，一些遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室公司已經(jīng)成立并獲得投資。

Arctoris

Arctoris成立于2016年，位于英國(guó)，是市場(chǎng)上第一家提供全自動(dòng)藥物發(fā)現(xiàn)平臺(tái)的公司，可由機(jī)器人完成各種生化、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)測(cè)定，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和生物技術(shù)公司能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。

Culture Biosciences

Culture Biosciences成立于2016年，位于美國(guó)舊金山。其特色在于設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的生物反應(yīng)器，加上廣泛的菌種篩選和工藝開發(fā)能力，無(wú)論是小型生物技術(shù)公司還是大型制藥企業(yè)，都可以在其平臺(tái)上快速實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)入商業(yè)化生產(chǎn)。

Emerald

Emerald成立于2010年。與Strateos不同，Emerald并沒(méi)有提供一套事先定義的工作流程，而是提供了廣泛的科學(xué)儀器設(shè)備，因此能夠設(shè)計(jì)出完全可定制的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。Emerald不斷增加新的操作方法和設(shè)備類型，為客戶提供廣泛而靈活的服務(wù)。

Kebotix

Kebotix成立于2017年，總部位于美國(guó)波士頓，專注于應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)和AI建模來(lái)開發(fā)具有目標(biāo)性質(zhì)的新化合物。該公司可以通過(guò)自動(dòng)化機(jī)械臂的使用，大大減少每次操作的時(shí)間，同時(shí)也能夠通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)工具預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為實(shí)際實(shí)驗(yàn)選擇最優(yōu)路線，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

Strateos

Strateos成立于2012年，位于美國(guó)加州，倡導(dǎo)“按需自動(dòng)發(fā)現(xiàn)”，通過(guò)創(chuàng)建程序化的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（SCLE）來(lái)協(xié)調(diào)科學(xué)流程、儀器和機(jī)器人，使發(fā)現(xiàn)過(guò)程成規(guī)模、高效、準(zhǔn)確。2020年，Strateos開始與禮來(lái)合作，使用Strateos機(jī)器人云平臺(tái)來(lái)提高生物學(xué)能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的化學(xué)合成循環(huán)。

Synthace

Synthace成立于2011年，總部位于英國(guó)。Synthace推出基于云的自動(dòng)化平臺(tái)Antha，使研究人員能夠使用圖形界面規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，無(wú)需具備特定的編碼技能。Antha允許用戶建立復(fù)雜的協(xié)議，并在多個(gè)設(shè)備之間傳輸。在實(shí)驗(yàn)開始之前，Synthace就可以通過(guò)模擬程序來(lái)識(shí)別接下來(lái)工作流程中潛在的問(wèn)題。

未來(lái)，或許只需要一臺(tái)筆記本電腦、一個(gè)好的想法以及使用遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，在咖啡廳就可以開始或進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)室正在變成數(shù)據(jù)生成工廠，生物醫(yī)學(xué)一定程度上被作為信息科學(xué)來(lái)研究。科學(xué)家將從大量的重復(fù)性工作中解放出來(lái)，有更多的時(shí)間來(lái)思考科學(xué)假設(shè)，集中精力投入到創(chuàng)造性工作當(dāng)中。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)的工業(yè)化時(shí)代在路上。AI對(duì)高質(zhì)量大數(shù)據(jù)的需求，將推動(dòng)藥物發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化和規(guī)模化生成。同時(shí)，大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，會(huì)進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的藥物發(fā)現(xiàn)。

中國(guó)醫(yī)藥報(bào) 06版 研發(fā)智藥  

作者：侯小龍    

作者單位：上海邦越醫(yī)藥科技有限公司