[發(fā)明專利]一種基于器官芯片和深度學(xué)習(xí)的抗腫瘤化合物預(yù)后藥效的預(yù)測方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310708965.5
• 申請(qǐng)日: 2023-06-15
• 公開（公告）號(hào): CN116597916A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡天牧;于文龍;顧忠澤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇運(yùn)動(dòng)健康研究院
• 主分類號(hào): G16C20/30
• 分類號(hào): G16C20/30;G06N3/0464;G06N3/048;G06N3/08;G06T7/00
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 郜彥茹

本發(fā)明涉及一種基于器官芯片和深度學(xué)習(xí)的抗腫瘤化合物預(yù)后藥效的預(yù)測方法，包括如下步驟：步驟1、構(gòu)建器官芯片樣本庫；步驟2、構(gòu)建濕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫；步驟3、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征提取及向量化：步驟4、特征拼接模型的構(gòu)建；步驟5、對(duì)特征拼接模型進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建殺傷有效性預(yù)測模型，并進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估；步驟6、對(duì)特征拼接模型進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建EC50預(yù)測模型，并進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估；步驟7、進(jìn)行殺傷有效性和EC50值的預(yù)測。本發(fā)明將器官芯片技術(shù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行抗腫瘤藥物的藥效預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了干濕實(shí)驗(yàn)的融合，在盡可能貼近人體內(nèi)器官層面系統(tǒng)性藥物作用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高通量、自動(dòng)化、規(guī)避倫理風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)與生物醫(yī)藥交叉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于器官芯片和深度學(xué)習(xí)的抗腫瘤化合物預(yù)后藥效的預(yù)測方法。

背景技術(shù)

對(duì)藥物的藥效進(jìn)行評(píng)價(jià)是藥物開發(fā)過程中最核心的環(huán)節(jié)；目前對(duì)藥物藥效的評(píng)價(jià)采用較多的仍舊是傳統(tǒng)的動(dòng)物試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒍S細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)及其與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的技術(shù)，其中，動(dòng)物試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎谂c人類存在基因組和生理上的區(qū)別，例如代謝速率、器官大小和結(jié)構(gòu)、免疫系統(tǒng)、代謝通路等，導(dǎo)致藥物在兩者間的結(jié)果存在諸多不一致的可能性；近年來動(dòng)物模型的準(zhǔn)確度愈發(fā)受到質(zhì)疑，結(jié)合動(dòng)物權(quán)益的保護(hù)愈發(fā)被重視，動(dòng)物模型在藥物研發(fā)管線的必要性也逐漸降低。而二維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)雖然基于細(xì)胞系或人源原代細(xì)胞培養(yǎng)，但是缺少體內(nèi)真實(shí)微環(huán)境中存在的某些重要細(xì)胞類型，缺乏體內(nèi)器官層面必要的細(xì)胞間協(xié)同和相互作用，尤其是在腫瘤細(xì)胞相關(guān)的研究中缺乏必要的腫瘤微環(huán)境相互作用的考量，導(dǎo)致二維細(xì)胞培養(yǎng)模型不能完全模擬體內(nèi)器官層面的疾病發(fā)展情況，影響結(jié)果的可靠性；

相較于二維細(xì)胞培養(yǎng)只能提供單層細(xì)胞的表達(dá)信息而難以模擬復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和功能，器官芯片與類器官技術(shù)能夠構(gòu)成有效的三維結(jié)構(gòu)細(xì)胞，從而呈現(xiàn)出更接近人體內(nèi)器官層級(jí)的表達(dá)特質(zhì)，可以更好地模擬體內(nèi)器官中細(xì)胞類型、細(xì)胞-細(xì)胞相互作用、組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞分化等結(jié)構(gòu)功能。對(duì)于藥物效應(yīng)的預(yù)測，也可以盡可能還原體內(nèi)器官在藥物作用下的代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)、毒性等，因此，采用器官芯片或類器官芯片進(jìn)行藥物研發(fā)管線中候選化合物的藥效層面的研究，對(duì)獲得更為可靠的測試數(shù)據(jù)、減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)量具有重要意義。

得益于數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力的增強(qiáng)，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域技術(shù)飛速發(fā)展，在藥物開發(fā)方向上開展了應(yīng)用。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的介入有效提升了藥物篩選的效率，但是主要是與通量數(shù)據(jù)較低的二維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行藥物篩選的，且機(jī)器學(xué)習(xí)和早期深度學(xué)習(xí)模型缺乏足夠的可解釋性，也缺乏高通量的生物學(xué)和臨床數(shù)據(jù)的支撐。開源程度低的臨床和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終導(dǎo)致機(jī)器學(xué)習(xí)可利用的數(shù)據(jù)通量有限，模型準(zhǔn)確度不及預(yù)期。

而相較于二維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)而言，器官芯片與類器官芯片所獲得的數(shù)據(jù)類型更為復(fù)雜，不僅包括代謝組學(xué)數(shù)據(jù)、活性數(shù)據(jù)還包括帶時(shí)間序列的各種模態(tài)的圖像數(shù)據(jù)，而對(duì)于復(fù)雜多樣的高通量數(shù)據(jù)尤其其中的高內(nèi)涵圖像數(shù)據(jù)目前尚無有效的數(shù)據(jù)處理方式，因此至今無法將器官芯片技術(shù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，用于化合物藥效預(yù)測評(píng)估中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供了一種基于器官芯片和深度學(xué)習(xí)的抗腫瘤化合物預(yù)后藥效的預(yù)測方法，其將器官芯片技術(shù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行抗腫瘤藥物的藥效預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了干濕實(shí)驗(yàn)的融合，在盡可能貼近人源體內(nèi)器官層面系統(tǒng)性藥物作用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高通量、自動(dòng)化、規(guī)避倫理風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種基于器官芯片和深度學(xué)習(xí)的抗腫瘤化合物預(yù)后藥效的預(yù)測方法，包括如下步驟：

步驟1、構(gòu)建器官芯片樣本庫

所述器官芯片樣本庫中存儲(chǔ)有不同來源的腫瘤類器官的樣本信息及其對(duì)應(yīng)的臨床信息；

步驟2、構(gòu)建濕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫