Υπολογιστική ανάπτυξη μοντέλων αξιολόγησης φαρμακοθεραπειών με χρήση αλγορίθμων μηχανικής εκμάθησης και ομικών δεδομένων

  • Ελένη Μπαρμπάνη
  • Μαρία Κορομηνά
  • Γεώργιος Π. Πατρινός
Keywords: τεχνητή νοημοσύνη, μηχανική μάθηση, ανάπτυξη φαρμάκων, επανατοποθέτηση φαρμάκων, φαρμακευτική βιομηχανία

Abstract

Στην εποχή της ψηφιακής υγείας και της τεχνητής νοημοσύνης, επιτακτική καθίσταται η ανάγκη της φαρμακευτικής βιομηχανίας για καινοτόμες και μετασχηματιστικές τεχνολογίες ανάπτυξης φαρμάκων. Οι αλγόριθμοι τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής εκμάθησης, αν και αργά, έχουν αναμφισβήτητα αρχίσει να επιφέρουν επανάσταση στον τομέα ανάπτυξης φαρμάκων τα τελευταία πέντε έτη. Στη συγκεκριμένη ανασκόπηση, περιγράφουμε τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες προσεγγίσεις μηχανικής εκμάθησης στα εργαλεία ανάπτυξης φαρμάκων και τις βάσεις ομικών δεδομένων. Αναλύουμε τις νέες υπολογιστικές προσεγγίσεις στο πεδίο της ανακάλυψης φαρμάκων στο πλαίσιο της ανάπτυξης και επαναστόχευσης φαρμάκων, αλλά και τις συνέργειες μεταξύ των ομικών επιστημών, της τεχνητής νοημοσύνης και της μηχανικής εκμάθησης. Επιπρόσθετα, παραθέτουμε μια μελλοντική προοπτική σχετικά με τους τρόπους με τους οποίους οι προσεγγίσεις της μηχανικής εκμάθησης θα είναι εφικτό να εφαρμοστούν προκειμένου όχι απλώς να επισπεύσουν την ανακάλυψη φαρμάκων αλλά και να ενισχύσουν την Ιατρική Ακριβείας με κύριο γνώμονα το όφελος των ασθενών και της δημόσιας υγείας.

Author Biographies

Μαρία Κορομηνά

Πανεπιστήμιο Πατρών, Σχολή Επιστημών Υγείας, Τμήμα Φαρμακευτικής, Εργαστήριο Φαρμακογονιδιωματικής και Εξατομικευμένης Θεραπείας, Πάτρα

Γεώργιος Π. Πατρινός

Πανεπιστήμιο Πατρών, Σχολή Επιστημών Υγείας, Τμήμα Φαρμακευτικής, Εργαστήριο Φαρμακογονιδιωματικής και Εξατομικευμένης Θεραπείας, Πάτρα

References

1. Kohane, I. S. Ten things we have to do to achieve precision medicine. Science, 2015;349, 37.
2. Garvey, C. Interview with Colin Garvey, Rensselaer Polytechnic Institute. Artificial Intelligence and Systems Medicine Convergence. OMICS. 2018; 22, 130-132.
3. Vogelstein, B., Papadopoulos, N., Velculescu, V. E., Zhou, S., Diaz, L. A., JR. & Kinzler, K. W. Cancer genome landscapes. Science. 2013; 339, 1546-1558.
4. Azuaje, F. Computational models for predicting drug responses in cancer research. Brief Bioinform. 2017; 18, 820-829.
5. Libbrecht, M. W. & Noble, W. S. Machine learning applications in genetics and genomics. Nat Rev Genet. 2015;16, 321-332.
6. Costello, J. C., Heiser, L. M., Georgii, E., et al. A community effort to assess and improve drug sensitivity prediction algorithms. Nat Biotechn. 2014;32, 1202-1212.
7. Baek, S., Tsai, C. A. & Chen, J. J. Development of biomarker classifiers from high-dimensional data. Brief Bioinform. 2019;10, 537-546.
8. Varma, S. & Simon, R. Bias in error estimation when using cross-validation for model selection. BMC bioinformatics. 2016;7, 91-91.
9. Byers, L. A., Diao, L., Wang, J., et al. An epithelial-mesenchymal transition gene signature predicts resistance to EGFR and PI3K inhibitors and identifies Axl as a therapeutic target for overcoming EGFR inhibitor resistance. Clin Cancer Res. 2017; 19, 279-290.
10. Nicolau, M., Levine, A. J. & Carlsson, G. Topology based data analysis identifies a subgroup of breast cancers with a unique mutational profile and excellent survival. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108, 7265-7270.
11. Gholami, A.M., Hahne, H., Wu, Z., et al. Global Proteome Analysis of the NCI-60 Cell Line Panel. Cell Rep. 2013; 4, 609-620.
12. Fersini, E., Messina, E. & Archetti, F. A p-Median approach for predicting drug response in tumour cells. BMC Bioinformatics. 2014; 15.
13. Jang, I. S., Neto, E. C., Guinney, J., Friend, S. H. & Margolin, A. A. Systematic assessment of analytical methods for drug sensitivity prediction from cancer cell line data. Pacific Symposium on Biocomputing. Pac Symp Biocomput. 2014;63-74.
14. Falgreen, S., Dybkaer, K., Young, K. H., et al. Predicting response to multidrug regimens in cancer patients using cell line experiments and regularised regression models. BMC Cancer. 2015;15.
15. Neto, E. C., Jang, I. S., Friend, S. H. & Margolin, A. A. The Stream algorithm: computationally efficient ridge-regression via Bayesian model averaging, and applications to pharmacogenomic prediction of cancer cell line sensitivity. Pac Symp Biocomput. 2014; 27-38.
16. Amin, S. B., Yip, W. K., Minvielle, S., et al. Gene expression profile alone is inadequate in predicting complete response in multiple myeloma. Leukemia. 2014; 28, 2229-2234.
17. Chen, B., Sirota, M., Fan-Minogue, H., Hadley, D. & Butte, A. J. Relating hepatocellular carcinoma tumor samples and cell lines using gene expression data in translational research. BMC Med Genomics. 2015;8 Suppl 2, S5-S5
18. Cortés-Ciriano, I., Van Westen, G. J. P., Bouvier, G., et al. Improved large-scale prediction of growth inhibition patterns using the NCI60 cancer cell line panel. Bioinformatics. 2015;32, 85-95.
19. Tran, T. P., Ong, E., Hodges, A. P., Paternostro, G. & Piermarocchi, C. Prediction of kinase inhibitor response using activity profiling, in vitro screening, and elastic net regression. BMC Syst Biol. 2014;8, 74-74.
20. Stetson, L. C., Pearl, T., Chen, Y. & Barnholtz-Sloan, J. S. Computational identification of multi-omic correlates of anticancer therapeutic response. BMC Genomics. 2014;15, S2.
21. Consortium, C. C. L. E. C. G. O. D. S. I. C. Pharmacogenomic agreement between two cancer cell line data sets. Nature. 2015;528, 84-87.
22. Wu, Z., Wang, Y. & Chen, L. (2013). Network-based drug repositioning. Mol Biosyst. 2013;9, 1268.
23. Xue, H., Li, J., Xie, H. & Wang, Y. Review of Drug Repositioning Approaches and Resources. Int J Biol Sci. 2018;14, 1232-1244.
24. Godinez, W. J., Hossain, I., Lazic, S. E., Davies, J. W. & Zhang, X. A multi-scale convolutional neural network for phenotyping high-content cellular images. Bioinformatics. 2017;33, 2010-2019.
25. Ferrero, E., Dunham, I. & Sanseau, P. In silico prediction of novel therapeutic targets using gene-disease association data. Journal of translational medicine. J Transl Med. 2017; 15, 182-182.
26. Anderson, A. C. Structure-based functional design of drugs: from target to lead compound. Methods Mol Biol. 2012; 823, 359-366.
27. Zhu, T., Cao, S., Su, P.-C., et al. Hit Identification and Optimization in Virtual Screening: Practical Recommendations Based on a Critical Literature Analysis. J Med Chem. 2013; 56, 6560-6572.
28. Mak, K.-K. & Pichika, M. R. Artificial intelligence in drug development: present status and future prospects. Drug Discov Today. 2019;24, 773-780.
29. Vamathevan, J., Clark, D., Czodrowski, P., et al. Applications of machine learning in drug discovery and development. Nat Rev Drug Discov. 2019; 18, 463-477.
30. Mamoshina, P., Volosnikova, M., Ozerov, I. V., et al. Machine Learning on Human Muscle Transcriptomic Data for Biomarker Discovery and Tissue-Specific Drug Target Identification. Front Genet. 2018; 9, 242-242.
31. Li, B., Shin, H., Gulbekyan, G., et al. Development of a Drug-Response Modeling Framework to Identify Cell Line Derived Translational Biomarkers That Can Predict Treatment Outcome to Erlotinib or Sorafenib. PloS one. 2015; 10, e0130700-e0130700.
32. Kraus, V. B. Biomarkers as drug development tools: discovery, validation, qualification and use. Nat Rev Rheumatol. 2018; 14, 354-362.
33. Gonczarek, A., Tomczak, J. M., Zaręba, S., Kaczmar, J., Dąbrowski, P. & Walczak, M. J. Interaction prediction in structure-based virtual screening using deep learning. Comput Biol Med. 2018; 100, 253-258.
34. Ekins, S. The Next Era: Deep Learning in Pharmaceutical Research. Pharm Res. 2016; 33, 2594-2603.
35. Angermueller, C., Pärnamaa, T., Parts, L. & Stegle, O. Deep learning for computational biology. Mol Syst Biol. 2016; 12, 878-878.
36. Lamberti, M. J., Wilkinson, M., Donzanti, B. A., et al. A Study on the Application and Use of Artificial Intelligence to Support Drug Development. Clin Ther. 2019; 41, 1414-1426.
Published
2021-02-09
Section
Άρθρα ανασκόπησης