新冠藥物研發(fā)背后的故事：踩上筋斗云，開啟AI識(shí)別

新冠病毒爆發(fā)以來，為了搞清新冠的“本來面目”，大批藥物研究專家紛紛沖上前線。有一家藥物研發(fā)科技公司運(yùn)用AI、量子物理、云等技術(shù)加速新冠病毒關(guān)鍵靶點(diǎn)和蛋白質(zhì)研究，不僅對(duì)這個(gè)新冠病毒與人體的結(jié)合能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，還在一定程度上預(yù)測(cè)驗(yàn)證了病毒較大的人際傳播的可能性，并找到數(shù)十個(gè)潛在有效的藥物分子。

這家名為“晶泰科技”的公司，是如何運(yùn)用AI、云等科技助力疫情防控的呢?科技對(duì)于疫情防控還有哪些幫助呢?

近日，晶泰科技CTO劉陽、晶泰科技首席科學(xué)家張佩宇博士接受HC3i采訪。兩位專家向HC3i介紹了疫情期間晶泰科技攜手醫(yī)藥研發(fā)專家如何開展科技抗疫，以及在醫(yī)藥創(chuàng)新研發(fā)這個(gè)領(lǐng)域AI、云等新技術(shù)如何加速藥物研發(fā)進(jìn)程。

疫情肆虐，AI加速新冠藥物研究

面對(duì)突如其來的新冠疫情，藥物研發(fā)領(lǐng)域的科學(xué)家們有條不紊地展開相關(guān)研究工作。

1月20日，NCBI公布了新型冠狀病毒的基因序列。當(dāng)天晶泰科技成立新冠研究小組，對(duì)新冠病毒SARS-CoV-2上的關(guān)鍵蛋白搭建三維結(jié)構(gòu)模型。

2月2日，晶泰科技將這些高精度模型與大量的計(jì)算數(shù)據(jù)、研究結(jié)果發(fā)布在自媒體與公司網(wǎng)站上，數(shù)日內(nèi)被下載上千次，這些模型對(duì)研究病毒分子機(jī)理、設(shè)計(jì)與篩選提供了基礎(chǔ)。

針對(duì)新冠肺炎的藥物研發(fā)也都迅速展開。為了盡可能加快藥品研發(fā)速度，在新冠藥物研發(fā)的策略選擇上，晶泰科技在老藥新用篩選與新藥從頭設(shè)計(jì)兩個(gè)方向同時(shí)推進(jìn)。

在老藥新用篩選過程中，晶泰科技通過其自主開發(fā)的人工智能藥物虛擬篩選平臺(tái)ID4(Intelligent Digital Drug Discovery and Development)，對(duì)已獲FDA批準(zhǔn)的2900多個(gè)藥物分子和超過10000個(gè)中藥成分分子進(jìn)行了篩選，共得到了183個(gè)對(duì)這兩個(gè)靶點(diǎn)有潛在抑制作用的候選分子。2月5日，晶泰科技又通過高精度的活性預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)評(píng)估，將搜索范圍縮小到FDA上市藥中排名高的38個(gè)分子。

在新藥從頭設(shè)計(jì)方向，晶泰科技選擇了冠狀病毒上的Spike蛋白及其他關(guān)鍵蛋白作為自己的突破點(diǎn)，并借助AI技術(shù)加速新藥篩選?！叭斯ぶ悄艽蟮膬?yōu)勢(shì)，是可以顯著擴(kuò)大新藥的搜索范圍，以幾百萬個(gè)有潛在活性的分子骨架作為篩選起點(diǎn)”，張佩宇表示，以AI+計(jì)算化學(xué)結(jié)合，綜合考慮多種關(guān)鍵性質(zhì)給候選分子打分，可以一步步接近理想、有希望研發(fā)成功的化合物?！拔覀?cè)诤献鞯男滤幇l(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中以這一方法篩選出的活性分子，在細(xì)胞模型中得到了很好的驗(yàn)證，并且顯著縮短了研發(fā)時(shí)間?！睆埮逵畋硎?，我們希望這一技術(shù)能在將來的抗病毒藥物研發(fā)中有所應(yīng)用。

上云，為醫(yī)藥創(chuàng)新企業(yè)贏得生機(jī)

要讓計(jì)算跟上業(yè)務(wù)發(fā)展的步伐，對(duì)于很多原研藥和創(chuàng)新藥研發(fā)企業(yè)來說都是巨大挑戰(zhàn)。由于藥品研發(fā)所需的量子計(jì)算的算法以及計(jì)算化學(xué)的算法需要海量計(jì)算，晶泰科技對(duì)算力的要求隨著業(yè)務(wù)量變化時(shí)常會(huì)出現(xiàn)激增。

晶泰科技初也是計(jì)劃以超算為主開展業(yè)務(wù)的?！拔覀?span lang="EN-US">2015年嘗試用過超算，兩周后就決定上云了?！眲㈥栠€介紹說，因?yàn)榫┛萍紝?duì)于大規(guī)模計(jì)算的需求并不是持續(xù)穩(wěn)定的，如果投入幾千萬、甚至上億元建設(shè)機(jī)房或者是集群，對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)來說不現(xiàn)實(shí)。

上云以后，計(jì)算負(fù)擔(dān)大大減輕了。云端資源不僅可以按需購買，還能進(jìn)行短期彈性擴(kuò)展，對(duì)于初創(chuàng)公司來說經(jīng)濟(jì)實(shí)惠有保障，所以上云成為必然。

創(chuàng)業(yè)至今，晶泰科技在樣本上累計(jì)調(diào)用超過2.5億核時(shí)，加速超過100個(gè)新藥管線，其中一大部分是AWS。

“我們目前是多云的模式，AWS的使用量是大的。”劉陽分析認(rèn)為：

一方面，AWS對(duì)于算力的支撐能力更強(qiáng)。劉陽認(rèn)為，在AWS可以快速部署我們的應(yīng)用程序，并且它的Amazon EC2 Spot競(jìng)價(jià)實(shí)例等原生產(chǎn)品其實(shí)是非常貼合我們這一類AI與量子動(dòng)力學(xué)計(jì)算算法的工作負(fù)載。在計(jì)算需求與預(yù)算相同的情況下，競(jìng)價(jià)實(shí)例對(duì)比按需實(shí)例(On-demand)高可以將應(yīng)用程序的吞吐量提高10倍，節(jié)省按需實(shí)例價(jià)格的 90%。

另一方面，我們和客戶對(duì)AWS都非常信任。他們對(duì)安全保護(hù)能力比較強(qiáng)，當(dāng)我們將客戶的數(shù)據(jù)保持在AWS云上時(shí)，客戶也比較認(rèn)可。

劉陽說，對(duì)于藥企來講，核心的資產(chǎn)就是知識(shí)產(chǎn)權(quán)，他們把分子結(jié)構(gòu)交給我們的同時(shí)，對(duì)我們有很高的數(shù)據(jù)安全要求。我們?cè)?span lang="EN-US">AWS上用的CloudTrail、GuardDuty等等一系列的安全產(chǎn)品，搭建起我們的安全管理體系，并且通過了ISO27001官方認(rèn)證。

AI助攻，藥品研發(fā)周期可縮短70%

在AI藥物研發(fā)領(lǐng)域，很多藥企都意識(shí)到可以通過AI加速新藥研發(fā)和降低成本。

張佩宇說：“我們有一個(gè)預(yù)期，目前新藥研發(fā)早期階段的耗時(shí)一般是4-6年，通過AI與高精度的藥物模擬技術(shù)，我們希望可以加速早期藥物發(fā)現(xiàn)的過程，把這部分藥物發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)工作縮短到1-2年?！?span lang="EN-US">

例如：晶泰科技正在進(jìn)行的部分藥物發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目已經(jīng)通過智能算法平臺(tái)拿到了各方面表現(xiàn)比較好的候選化合物分子，目前正在進(jìn)行體內(nèi)藥代(PK)和藥效(PD)研究，利用AI可以減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量、提高效率，把藥物發(fā)現(xiàn)的時(shí)間縮短。

此外，AI有助于藥物研發(fā)整體流程的改進(jìn)。

有了AI的支持，藥品研發(fā)公司不僅可以擴(kuò)大化合物的搜索范圍，更快找到有效藥物分子，還能提前預(yù)測(cè)化合物的成藥性，如毒性、溶解性等，規(guī)避無效產(chǎn)品和風(fēng)險(xiǎn)更高的研發(fā)路徑，合理進(jìn)行藥品劑量、用法的設(shè)計(jì)。

比如大家都知道是藥三分毒，在藥品研發(fā)過程中要嚴(yán)格控制藥品的毒性。相比于做新藥研發(fā)后期才開始實(shí)驗(yàn)檢測(cè)藥品毒性，通過量子物理+人工智能的方法去預(yù)測(cè)分子的毒性，可以在藥品研發(fā)早期就排除風(fēng)險(xiǎn)過高的候選分子，提高藥品研發(fā)的成功率，降低研發(fā)成本。

“我們的模型需要反復(fù)迭代，Amazon SageMaker等AI產(chǎn)品可以讓我們的科學(xué)家快速嘗試訓(xùn)練，使用起來比較方便?！眲㈥柦榻B說。

疫情下的思考：發(fā)揮計(jì)算優(yōu)勢(shì)，扶持新藥研發(fā)

此次疫情爆發(fā)后，再次吸引大眾關(guān)注醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有7000多家規(guī)模以上制藥企業(yè)，擁有16萬個(gè)藥品批號(hào)，按理說，本不應(yīng)出現(xiàn)藥品短缺現(xiàn)象。但現(xiàn)實(shí)的狀況是藥品種類少，天價(jià)藥很多。歸根結(jié)底還是創(chuàng)新藥、原研藥太少。

根據(jù)塔夫茨藥物研究中心的研究，"10年10億美元"是原來的說法，目前新藥創(chuàng)制已經(jīng)是"15年25億美元"。對(duì)于國(guó)內(nèi)很多企業(yè)來說，要投入漫長(zhǎng)的時(shí)間和資金去研發(fā)一款新藥，成本太高，大多無法承受。

“全球很多藥企現(xiàn)在都意識(shí)到可以通過AI、云等方式，加速整個(gè)新藥研發(fā)過程并降低成本?！睆埮逵罱榻B說，其實(shí)藥物研發(fā)是一個(gè)很低效的行業(yè)，AI、云等技術(shù)可以很大程度節(jié)約新藥研發(fā)的時(shí)間和投入，用好這些新技術(shù)可以縮短研發(fā)周期、提高藥品研發(fā)成功率、降低研發(fā)成本等，為醫(yī)藥研發(fā)企業(yè)生存和發(fā)展?fàn)幦「鄼C(jī)會(huì)。

隨著疫情發(fā)展，多個(gè)國(guó)家都在積極開展新冠疫苗的研發(fā)，科學(xué)家基于AI、云等科技在病毒研究、疫苗研究中可以做出更多前期的排除，提高研發(fā)的效率和實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性，更早一步讓安全的疫苗推向臨床。(尹聰穎)