约翰·霍普金斯的最新AI实验

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编辑:莫柔

责任编辑:SONG

约翰·霍普金斯专线供稿

约翰·霍普金斯大学科研人员研究发现,在化学品毒性预测方面,人工智能(Artificial Intelligence,AI)可与动物实验研究相抗衡,有望成为一种更具预测性的化学品安全性评价工具。

简讯

约翰·霍普金斯大学(JHU)的毒理学家Thomas Hartung及其团队研究发现,涵盖九种测试项目的ML软件可以精确地预测成千上万种化学品的毒性,其范围远比其他已发表的模型广泛。该项研究于7月11日发表在《毒理科学》(Toxicological Sciences)上。

研究背景

据统计,欧洲每年有超过1000万只动物用来做实验,全球来看实验动物数量极可能破亿,令人咂舌。本着替代动物实验的目标,人工智能(Artificial Intelligence,AI)在医药方面的应用日益广泛。机器学习(Machine Learning, ML)作为AI的核心,近年来备受关注。

事实上,计算机模型在工业和学术界用于预测毒性已有数十年,这些模型通常结合分子化学结构、体内反应、动物在体及体外研究数据。

约翰·霍普金斯大学毒理学家

Thomas Hartung博士

Thomas Hartung团队采用ML软件进行毒性测试对比研究,结果表明,该软件可以与昂贵的动物研究相抗衡,预示着ML软件测试毒性将有可能取代动物实验。

Thomas Hartung指出,计算机模型可能会替代数百万只动物进行标准化安全研究,如将化学品滴入兔眼中以考察其刺激性、喂食大鼠化学品以计算其致死量。大数据促使ML软件成为一种比动物实验更具有预测性的工具。

研究过程

Hartung和其他毒理学家表示,监管机构倾向于动物研究,为接受AI验毒设置了很高的门槛。

从2014年起,Hartung团队使用交叉参照法进行ML软件验毒测试,通过与结构及生物学类似的已知化合物进行比较,以推断未知物质的毒性作用。他表示,ML软件有效地模仿毒理学家对新化学物质的毒性预测工作,不同之处在于该工作采用了AI自动化的方式。

为改进ML软件,Hartung团队基于80万份动物实验进行数据积累,创建了一个包含1万多种化学物质的数据库,并绘制分子结构与特定毒性类型之间以往未知的关系。

该数据库分析揭示了动物实验的不足:鉴于动物个体差异性,同一种化学物质重复进行多次毒性测试结果不一致;同时证明,对于部分类型毒性,该软件提供的预测比任何单独的动物实验都更可靠。

(https://supplychainbeyond.com/)

监管认可

今年4月,机构间协调委员会邀请数十个学术和商业研究小组到美国国立卫生研究院(NIH),使用各自的软件预测已经通过动物实验检测的4万种化学物质的“致死量”毒性,为16个美国政府机构开发替代动物安全测试方法。

结合包括Hartung的ML软件在内的诸多软件的优势,获得了一个“效果和动物实验一样好”的计算机模型。

美国机构尤其热衷于推广无动物检测方法,2016年具有历史意义的立法赋予美国国家环境保护局权力:要求在化学制品上市之前,必须证实其安全性。

6月,美国国家环境保护局公布了一项战略计划,旨在推广包括软件在内的无动物检测方法。

在欧盟,欧洲化学品管理局(European Chemicals Agency,ECHA)鼓励各公司尽可能使用细胞分析法来替代动物实验。

Hartung团队的研究论文的确是一项很好的创举,但就科学而言,仍然存在很多不足。没有人想要动物实验,但是目前电脑无法完全替代动物实验完成所有的毒理学研究。AI前景广阔,但却任重道远。

(https://www.independent.co.uk/)

专家评价

德国BASF化学公司

Bennard van Ravenzwaay博士

针对Thomas Hartung及其团队的研究论文,德国BASF化学公司的毒理学家Bennard van Ravenzwaay表示,这篇论文将引发人们关注大数据的新可能性,并确信大数据将成为未来毒理学的支柱。

但是,他补充说明,政府监管机构可能还需要很长时间才能接受AI取代动物研究。尤其在评估复杂的毒性危害时,比如判断某种化学品是致癌还是影响生育能力,AI难以替代动物实验。

专有名词解释:

交叉参照(READ-ACROSS):利用结构相近、性质相似的原理,将某些结构相似遵循某个规则的物质,归为一“组”,或一“类”。

通过在组内插入其他参考物质,利用“组”内各参考物质的现有数据,通过交互参照的方式,预测其他物质缺失的理化、毒理或生态毒理性质。

研究现状

对“Big data”进行研究数据分析,发现自2000年以来,美国联邦政府投入该领域的总经费约12亿美金,有152个机构,该方向开展了801个项目。专家约365人,专家地图分布如下:

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机构介绍

约翰·霍普金斯医疗集团(JHM),总部位于马里兰州巴尔的摩市,总资产达77亿美元,它将来自约翰·霍普金斯大学医学院的医生、科研人员与约翰·霍普金斯医院和卫生系统的下属机构、医疗从业人员及设施有机整合在一起,成为全美顶级学术保健系统。

约翰·霍普金斯医院创建于1889年,《美国新闻与世界报道》在其28年的历史中,22次将约翰·霍普金斯医院评为全美第一。

参考资料:

1.Software beats animal tests at predicting toxicity of chemicals. Nature.2018.

2.Luechtefeld,T.,Marsh,D.,Rowlands,C.&Hartung,T.Toxicol.Sci.https://doi.org/10.1093/toxsci/kfy152 (2018).

3.约翰·霍普金斯医疗官网。

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