自動(dòng)化整合先鋒 | AI驅(qū)動(dòng)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(xué)資源轉(zhuǎn)化為真正可開發(fā)的新藥,是行業(yè)關(guān)注的關(guān)鍵問題之一。Enveda Biosciences提出一條清晰路徑:通過機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜與高通量自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)的深度融合,構(gòu)建“數(shù)據(jù)—算法—實(shí)驗(yàn)”循環(huán),加速早期藥物發(fā)現(xiàn)。
這個(gè)技術(shù)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(xué)物質(zhì)數(shù)字化,并結(jié)合真實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須具備高質(zhì)量、高規(guī)模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)持續(xù)驅(qū)動(dòng)AI模型。
Enveda解決方案強(qiáng)調(diào)多技術(shù)集成:高通量篩選(HTS)、計(jì)算代謝組學(xué)、知識(shí)圖譜以及自動(dòng)化液體處理系統(tǒng)。其中,Echo聲波移液系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)關(guān)鍵角色。Echo以最低2.5 nL的體積進(jìn)行非接觸式精準(zhǔn)分液,實(shí)現(xiàn)384孔和1536孔板之間的高效轉(zhuǎn)移,使實(shí)驗(yàn)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(tái)將高通量生物學(xué)、新型提取/合成化學(xué),以及來自數(shù)個(gè)世紀(jì)的歷史與文化經(jīng)驗(yàn),與前沿的質(zhì)譜技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合。B. 高通量篩選(HTS)平臺(tái)通過基于靶點(diǎn)、通路以及表型的篩選方法,對新型生物學(xué)信息進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(tái),Enveda對約4000種植物提取物進(jìn)行了系統(tǒng)篩選。在基于IL?1β誘導(dǎo)的NF?κB炎癥通路模型中,研究團(tuán)隊(duì)建立了穩(wěn)定的高通量篩選體系,其Z’值超過0.7,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)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(yīng)曲線的一致性。
篩選結(jié)果顯示,一個(gè)來源于Plant X的提取物表現(xiàn)出顯著抗炎活性。通過進(jìn)一步的分級(jí)和分析,研究團(tuán)隊(duì)迅速鎖定活性化學(xué)簇ESN?X。隨后利用Echo完成的濃度梯度實(shí)驗(yàn)表明,該化合物在NF?κB實(shí)驗(yàn)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(fù)的藥效表現(xiàn)。
圖2:采用IL?1β介導(dǎo)的NF?κB激活進(jìn)行高通量藥理篩選(左上)。通過在HEK293誘導(dǎo)型報(bào)告基因細(xì)胞系中檢測IL?1β劑量依賴性的NF?κB/AP?1激活,確定最佳細(xì)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(jìn)行抗炎活性篩選(右上)。陽性對照化合物在多個(gè)實(shí)驗(yàn)板及生物重復(fù)中表現(xiàn)出良好的活性重復(fù)性(右下)。數(shù)據(jù)表示為8個(gè)孔重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
在數(shù)據(jù)分析層面,知識(shí)圖譜發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Enveda構(gòu)建的BIOEDGE知識(shí)圖譜整合了植物化學(xué)、生物通路及疾病信息,并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別因果路徑,推斷藥物與疾病之間的潛在聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)中,知識(shí)圖譜將ESN?X與炎癥相關(guān)肝病建立了強(qiáng)關(guān)聯(lián),為后續(xù)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供了方向。
圖3:使用PMA預(yù)處理的THP1細(xì)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(biāo)注為Plant?X。
在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(dá)水平,并減少神經(jīng)酰胺累積。同時(shí),小鼠生存率顯著提高,驗(yàn)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(shí),分別接受ESN?X或?qū)φ蛰d體預(yù)處理。肝損傷發(fā)生6小時(shí)后,對小鼠實(shí)施安樂死并取出肝臟,通過組織學(xué)方法評估整體肝損傷及出血情況。qPCR結(jié)果顯示,GalN/LPS注射可顯著提高TNFα的mRNA水平,而在ESN?X預(yù)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(gè)項(xiàng)目從提取物篩選到活性化合物識(shí)別僅用約兩周時(shí)間,而從初始篩選到體內(nèi)驗(yàn)證僅約一個(gè)月。這一效率的核心支撐,正是自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與AI分析系統(tǒng)之間的快速迭代機(jī)制。
AI在藥物發(fā)現(xiàn)中的價(jià)值,并不單純體現(xiàn)在模型層面,而是嵌入自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)體系,與真實(shí)數(shù)據(jù)形成循環(huán)反饋。每一次實(shí)驗(yàn)不僅是驗(yàn)證,更是數(shù)據(jù)生產(chǎn),從而不斷強(qiáng)化模型預(yù)測能力。
Echo聲波移液系統(tǒng)及Access自動(dòng)化整合系統(tǒng)通過實(shí)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(shí)驗(yàn)室方式規(guī)?;瘜?shí)施,為AI模型提供持續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)來源。
參考文獻(xiàn):
1. CASE STUDY: Using AI-driven drug discovery to link novel plant-based chemistry to disease biology.
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