近75%
一個新藥的誕生，通常需投入10億甚至數(shù)十億美元，研發(fā)周期一般超過10年。而由于AI技術(shù)的加入，如今的藥物研發(fā)成本明顯減少，同時也大大縮短了研發(fā)時間。例如，AI將臨床前候選化合物的時間從平均4年半縮短至約13.7個月，縮短了近75%。
近日，據(jù)媒體報道，美國華盛頓大學戴維·貝克教授團隊在《細胞》雜志上發(fā)表論文，利用人工智能（AI）技術(shù)平臺精準地從頭設(shè)計出能夠穿過細胞膜的大環(huán)多肽分子，開辟了設(shè)計全新口服藥物的新途徑。
近年來，AI加速助力新藥研發(fā)，幾乎參與了從藥物靶點發(fā)現(xiàn)到臨床試驗的全流程。在新冠肺炎疫情期間，多款藥物問世背后也都有AI的身影，全球AI制藥產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)加速跑。
AI融入藥物研發(fā)各個環(huán)節(jié)
“AI一詞是約翰·麥卡錫在1956年達特茅斯會議上提出的，用來描述‘制造智能機器的科學和工程’。AI差不多也是在這個時候被引入到藥物研發(fā)領(lǐng)域的。”南開大學藥學院教授林建平介紹，1964年，定量構(gòu)效關(guān)系建模領(lǐng)域的建立成為AI開始用于藥物研發(fā)的標志。
如今，AI在藥物研發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用，并與藥物研發(fā)的各個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。
一款藥物從無到有，要歷經(jīng)漫長且坎坷的過程。其中主要包括4個研發(fā)階段，即靶標選擇和驗證、化合物篩選和先導優(yōu)化、臨床前研究以及臨床試驗。而每一個階段又涉及到許多具體環(huán)節(jié)。
林建平舉例說，比如在靶標選擇和驗證階段，需要確定疾病相關(guān)的靶標。根據(jù)傳統(tǒng)實驗去確定靶標，既費時成本又高，而使用AI技術(shù)并結(jié)合已有的組學大數(shù)據(jù)，根據(jù)已知的以及新產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)，就可以快速分析出潛在候選靶標，節(jié)約時間和成本；或在已知先導化合物的功效，但是缺少明確靶標而導致具體作用機制和副作用不明確時，AI可以大范圍預測靶標，縮小候選靶標的范圍，最后結(jié)合實驗手段快速定位真正的靶標?！癆I幫助藥物研發(fā)者快速找到靶標，加快先導化合物向藥物轉(zhuǎn)化的進程。”林建平介紹。
對于已有的藥物，AI同樣可以通過靶標預測，發(fā)現(xiàn)新的靶標，從而發(fā)現(xiàn)新的藥物適應(yīng)癥，這也是一個非常熱門的領(lǐng)域——藥物重定位。
在最重要的臨床試驗階段，AI的應(yīng)用也起到了事半功倍的效果。“在這一階段，需要在患者身上評價藥物的安全性和有效性，AI可以參與到患者的招募、臨床試驗設(shè)計以及試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析等?！绷纸ㄆ脚e例，比如可以通過AI技術(shù)從過去的臨床患者中，提取患者的個人特征、癥狀、治療效果等數(shù)據(jù)，找到最匹配當前試驗的患者；試驗設(shè)計上，AI可以預測合適的藥物劑量、治療方案等；而試驗數(shù)據(jù)上，可以采用AI技術(shù)跟蹤和管理患者的實時情況，預測患者預后情況等。
AI大大縮減藥物研發(fā)成本
一個新藥的誕生，通常需投入10億甚至數(shù)10億美元，研發(fā)周期一般超過10年，成功率卻低于10%。而由于AI的加入，如今的藥物研發(fā)成本減少了上億美元，同時也大大縮短了研發(fā)時間，一般來說可以縮短一半以上。例如，AI將臨床前候選化合物的研發(fā)時間從平均4年半縮短至約13.7個月，縮短了近75%。
此外，AI還提高了藥物研發(fā)的成功率?！巴ㄋ字v，藥物研發(fā)實際上是一個試錯的過程，AI可以幫助我們排除大量錯誤，最后留給我們的就是更大的成功機會?！绷纸ㄆ秸f。
正是由于AI制藥具有對傳統(tǒng)制藥碾壓式的優(yōu)勢，使得AI制藥產(chǎn)業(yè)在全球發(fā)展壯大。目前，AI制藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展可概括為三大階段：第一個階段，AI制藥公司初步形成，主要針對某個階段的藥物研發(fā)提供AI技術(shù)服務(wù)；第二個階段，AI制藥公司開發(fā)了成熟的研發(fā)管線，并且開發(fā)的藥物進入臨床驗證，這一階段將吸引大量資本和初創(chuàng)企業(yè)加入；而第三階段，則進入到關(guān)鍵的臨床Ⅱ期藥效性實驗，真正證明AI研發(fā)藥物的有效性。
“目前全球AI制藥產(chǎn)業(yè)已步入第三個發(fā)展階段?！绷纸ㄆ秸f。
我國AI制藥起步較晚，尚處于第二個階段?！暗菄鴥?nèi)的AI制藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度非?？?，各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭以及一些大型藥企均開始布局AI制藥賽道，當然還包括一些初創(chuàng)公司?！绷纸ㄆ奖硎?。
據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)已有超過60家AI制藥公司，去年我國AI制藥融資規(guī)模達12.36億美元，同比增長163.54%。
AI制藥存在諸多挑戰(zhàn)
可以說，AI已經(jīng)滲透到藥物研發(fā)領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，促進了醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的升級，在未來極有可能帶來制藥產(chǎn)業(yè)的變革。隨著目前AI制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在不久的將來，我們可能很快會迎來第一款AI技術(shù)研發(fā)的創(chuàng)新藥物。在期盼之余，很多人也對AI研發(fā)的藥物是否具有風險心存疑慮。
“目前來說，我們利用AI研發(fā)的藥物的風險與傳統(tǒng)的藥物研發(fā)風險是一樣的，包括藥物的副作用、毒性、耐受性等。”林建平解釋說，由于目前AI在藥物研發(fā)中大多起著輔助作用，最后仍舊需要經(jīng)過真實的試驗去驗證其安全性和有效性，需要專家去做評定，所以在風險性上與傳統(tǒng)研發(fā)藥物相同。但是這樣做也帶來了另一個問題，制藥行業(yè)仍以專家經(jīng)驗為基礎(chǔ)，成為制約AI制藥發(fā)展的最大阻礙?！爸猿霈F(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是由于對AI技術(shù)助力制藥的不信任?！绷纸ㄆ秸J為，隨著接下來幾年AI藥物的成功上市，這個問題必將得到解決；另一方面，目前AI在藥物研發(fā)全流程中，仍然扮演著輔助工具的角色，沒有占據(jù)主導地位，這也就決定了AI制藥產(chǎn)業(yè)難以獲得飛躍式發(fā)展。
而且，AI技術(shù)仍在發(fā)展中，數(shù)據(jù)、算法、算力上的突破也需要一定的時間。如數(shù)據(jù)量不足、數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，算法精度不高、算法無法滿足需求等，都為AI在藥物研發(fā)和應(yīng)用上帶來了困難。
此外，AI制藥還面臨許多其他挑戰(zhàn)。比如生命領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究還有很多沒有解決的問題；再比如復合型人才的缺少，“懂計算的不懂制藥，懂制藥的不懂計算”，如何更好地把生物問題轉(zhuǎn)化為計算問題，然后用數(shù)字手段去解決，這需要大量復合型人才的參與，而這一類人才的培養(yǎng)也是極其耗時的。
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超算驅(qū)動現(xiàn)代藥物研發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展，AI藥物研發(fā)的進程也在“提速”。
此外，超級計算平臺在現(xiàn)代藥物研發(fā)中也發(fā)揮著日益強勁的驅(qū)動作用，特別是伴隨著“天河”等新一代超級計算機的研制成功，百億級虛擬藥物篩選、大規(guī)模全原子分子動力學模擬、大規(guī)模AI預訓練模型等計算和智能技術(shù)為現(xiàn)代藥物研發(fā)創(chuàng)新帶來新機遇、新發(fā)展。
目前天河超級計算平臺支撐了數(shù)十家機構(gòu)、上百個研發(fā)團隊開展高性能計算支撐的虛擬藥物研發(fā)工作，取得了良好的成效。國家超級計算天津中心高性能計算部部長康波表示，超算團隊將基于天河新一代超級計算機，研發(fā)物理生化模型與人工智能結(jié)合的藥物設(shè)計新方法，構(gòu)建計算機輔助藥物設(shè)計研發(fā)核心鏈條聚合機制，探索算數(shù)融合、藥工結(jié)合、研用協(xié)同的信創(chuàng)數(shù)字數(shù)值裝置模式，研制面向創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)的虛擬實驗室，實現(xiàn)超算驅(qū)動現(xiàn)代藥物創(chuàng)新發(fā)展的綜合支撐能力。
