Výskumníci používajú AI na nájdenie možností úľavy od bolesti bez opioidov

Odhaduje sa, že jeden z piatich Američanov žije s chronickou bolesťou a súčasné možnosti liečby zanechávajú veľa želaní. Feixiong Cheng, Ph.D., riaditeľ Genome Center Cleveland Clinic, a IBM používajú umelú inteligenciu (AI) na objavovanie liekov v pokročilom manažmente bolesti. Rámec hlbokého učenia tímu identifikoval viaceré metabolity odvodené od črevných mikrobiómov a lieky schválené FDA, ktoré možno opätovne použiť na výber nenávykových, neopioidných možností na liečbu chronickej bolesti.

Zistenia zverejnené v r Cell Press, predstavujú jeden z mnohých spôsobov, ako partnerstvo organizácie Discovery Accelerator pomáha napredovať vo výskume v oblasti zdravotníctva a biologických vied.

Liečenie chronická bolesť s opioidmi je stále výzvou kvôli riziku závažných vedľajších účinkov a závislosti, hovorí spoluautor Yunguang Qiu, Ph.D., postdoktorand v laboratóriu Dr. Chenga, ktorého výskumný program sa zameriava na vývoj terapeutík na poruchy nervového systému. Nedávne dôkazy ukázali, že užívanie liekov špecifickej podskupiny receptorov bolesti v proteínovej triede nazývanej receptory spojené s G proteínom (GPCR) môže poskytnúť nenávykovú, neopioidnú úľavu od bolesti. Otázka je, ako na tieto receptory zacieliť, vysvetľuje Dr. Qiu.

Namiesto vymýšľania nových molekúl od nuly sa tím zamýšľal nad tým, či by na nájdenie mohli použiť výskumné metódy, ktoré už vyvinuli už existujúce lieky schválené FDA pre prípadnú indikáciu bolesti. Súčasťou tohto procesu je mapovanie črevných metabolitov na zistenie cieľových liečiv.

Na identifikáciu týchto molekúl prvý autor a počítačový vedec Yuxin Yang, Ph.D., bývalý postgraduálny študent Kent State University. Dr. Yang dokončil svoj výskum diplomovej práce v laboratóriu Dr. Chenga a naďalej tam pracuje ako dátový vedec. Dr. Yang a Qiu viedli tím, ktorý aktualizoval predchádzajúci objav drog Algoritmus AI vyvinul Cheng Lab. Spolupracovníci z IBM pomohli napísať a upraviť rukopis.

„Naši spolupracovníci z IBM nám poskytli cenné rady a perspektívy pri vývoji pokročilých výpočtových techník,“ hovorí Dr. Yang. „Som rád za príležitosť pracovať a učiť sa od kolegov z odvetvia.“

Aby bolo možné určiť, či molekula bude fungovať ako liek, výskumníci musia predpovedať, ako bude fyzicky interagovať a ovplyvňovať proteíny v našom tele (v tomto prípade naše receptory bolesti). Na to výskumníci potrebujú 3D pochopenie oboch molekuly na základe rozsiahlych 2D údajov o ich fyzikálnych, štruktúrnych a chemických vlastnostiach.

„Dokonca aj s pomocou súčasných výpočtových metód je kombinovanie množstva údajov, ktoré potrebujeme pre naše prediktívne analýzy, mimoriadne zložité a časovo náročné,“ vysvetľuje Dr. Cheng. „AI môže rýchlo plne využiť údaje o zlúčeninách aj proteínoch získané zo zobrazovacích, evolučných a chemických experimentov na predpovedanie, ktorá zlúčenina má najlepšiu šancu ovplyvniť naše receptory bolesti správnym spôsobom.“

Nástroj výskumného tímu nazvaný LISA-CPI (trojrozmerný (3D) rámec štruktúr založených na ligandovom obraze a receptore na predpovedanie interakcií zlúčenina-proteín) používa formu umelá inteligencia nazývané hlboké učenie predpovedať:

• ak sa molekula môže viazať na špecifický receptor bolesti

• kde na receptor sa molekula fyzicky pripojí

• ako silne sa molekula pripojí k tomuto receptoru

• či sa naviazaním molekuly na receptor zapnú alebo vypnú signalizačné efekty

Tím použil LISA-CPI na predpovedanie toho, ako bude 369 črevných mikrobiálnych metabolitov a 2 308 liekov schválených FDA interagovať s 13 receptormi spojenými s bolesťou. Rámec AI identifikoval niekoľko zlúčenín, ktoré by sa mohli opätovne použiť na liečbu bolesti. Prebiehajú štúdie na overenie týchto zlúčenín v laboratóriu.

„Predpovede tohto algoritmu môžu znížiť experimentálnu záťaž, ktorú musia výskumníci prekonať, aby dokonca prišli so zoznamom kandidátskych liekov na ďalšie testovanie,“ hovorí Dr. Yang. „Tento nástroj môžeme použiť na testovanie ešte väčšieho množstva liekov, metabolitov, GPCR a ďalších receptorov, aby sme našli terapeutiká, ktoré liečia choroby za hranicami bolesti, ako je Alzheimerova choroba.“

Dr. Cheng dodal, že toto je len jeden príklad toho, ako tím spolupracuje s IBM na vývoji modelov základov malých molekúl pre vývoj liekov— vrátane oboch preskupení liečiv v tejto štúdii…