利用機器學習設計抗癌納米顆粒

馬修·敦敦諾茲 （Matthew Tontonoz） 吉姆·斯托拉德 （Jim Stallard）

馬修·敦敦諾茲 （Matthew Tontonoz）

吉姆·斯托拉德 （Jim Stallard）

個性化抗癌藥物已經從渺茫的希望發展到臨床試驗階段。針對腫瘤獨特的遺傳缺陷，腫瘤學家不斷地將治療方法個性化。但是，由于這些個性化藥物在抵達腫瘤的同時也同樣觸及健康組織，所以即使是最有針對性的治療也會導致有害的副作用。

美國斯隆-凱特林癌癥研究中心斯隆-凱特林研究所（SKI）的納米技術專家設計了一種新方法，有助于避免靶向治療帶來的損害，提高個性化藥物的精準度。丹尼爾·海勒（Daniel Heller）博士是SKI負責分子藥理學項目的化學家兼威爾-康奈爾醫學科學研究生院的助理教授，他說：“我們找到了一種辦法，利用機器學習運算法則設計出強效納米藥物，這種藥物可以發揮更強的效力和更加安全的、更加個性化的抗病作用。”

海勒的實驗室所設計的納米技術能夠提高癌癥的監測效率，改善癌癥的治療效果。他們這種計算機輔助的方法能夠將幾乎所有種類的個性化藥物裝進納米顆粒中，有助于使這些藥物更加安全，并發揮出更大的效力。

設計納米藥物

納米顆粒是指直徑小于人類頭發千分之一的物體。以前，科學家們曾經利用納米顆粒在人體內輸送藥物。但是到目前為止，一直讓科學家們感到棘手的問題是：需要設計不同的納米顆粒來輸送許多較新的抗癌藥物，因為每一種藥物與顆粒的新型組合都需要在實驗室的工作臺上進行大量的開發工作。海勒博士稱：“科學家們一直利用機器學習進行工作，取得了令人驚嘆的成就，如自動駕駛車輛，或者幫助科學家們在大量的人類基因組數據中發現各種模式。因此我們認為，機器學習可能會幫助我們設計出更佳的納米藥物。”

海勒博士和他實驗室里的博士后研究員約西·沙邁（Yosi Shamay）博士觀察到，一些藥物很容易裝進納米顆粒，而另外一些藥物就不容易裝進納米顆粒。他們想知道是否能夠確定藥物的哪些性質影響了其構成顆粒的能力，他們利用機器學習運算法則篩選了許多類型的數據，確定了能夠構成高質量顆粒的藥物所具備的共同要素。

沙邁說：“事實證明，根據藥物的結構，我們可以非常準確地預測是否能夠形成顆粒。”此外，沙邁和海勒還逆向運用這個方法，設計出一種更加容易裝進納米顆粒之中的藥物分子。以前的納米顆粒多數是由聚合物和一點點靶向藥物組成的，其中聚合物的用途相當于一種膠質。這種新型顆粒包含高達90%的藥物，其效力要高得多。

幫助藥物擊中目標

SKI的科學家利用一類被稱為MEK抑制劑的藥物，展示了納米顆粒的有效性。這種精準藥物療法對于某些癌癥來說是有效的療法，其中包括黑色素瘤和肺癌，這些癌癥有著某類共同的突變。但是，MEK抑制劑也會破壞皮膚中的正常細胞，引起嚴重的皮疹，限制了藥物的施用量。

海勒和沙邁跟SKI計算化學家約翰·喬德拉（John Chodera）博士的實驗室人員，以及癌癥生物學家兼SKI癌癥生物學和遺傳學項目主任斯科特·洛威（Scott Lowe）博士進行了合作，于2018年發表了上述研究成果。該團隊將MEK抑制劑裝進納米顆粒中，使其跟腫瘤血管中發現的一種特定結構產生親和力。他們利用患癌小鼠作為研究對象，結果發現這些納米顆粒到達腫瘤血管結構中，在不影響皮膚的情況下擊中了目標。

海勒說：“如果我們將這些新藥有針對性地直接輸送到腫瘤中，使其遠離正常組織，它們的效果會好得多，副作用也就不會那么嚴重了……這就是我們希望這項納米技術能夠做到的事情。”

監視腫瘤生長

海勒的實驗室也專注于癌癥的檢測工作。海勒跟同事一起證明了納米技術可以提供有關疾病生物標記物的信息，而生物標記物就是能夠顯示出生物活性的分子，比如，這種分子能夠顯示出一個腫瘤是否正在生長。

植入式納米傳感器可以提供一種方法，在無需進行重復活檢和成像掃描的情況下，可以監測癌癥治療的有效性。海勒的傳感器是利用被稱為納米管的微型碳棒制作的，可以綁定在特定的生物標記物上，然后能夠釋放出特定波長的無害紅外光。紅外光可以穿過幾厘米厚的組織，然后研究人員仍舊能夠很容易地對其進行探測和分析。因此，可以將這種傳感器植入到皮膚下面。將一個小型設備戴在手腕上，可以探測到傳感器的信號，可以用作一種監測身體狀況的健康跟蹤器。

2017年，這項技術報道在《自然生物醫學工程》雜志上。對于身體中的病灶活性狀況，該技術可以揭示出有價值的信息。在患癌的高風險人群中，以及在得到成功治療但極有可能復發的人群中，這些傳感器可以用來探測癌癥信息。在那些正在接受治療的人群中，一旦需要，這些傳感器能夠立刻報告一種生物標記物是正在上升還是正在下降，能夠幫助醫生了解是否要從一種藥物治療變換到二線治療。

最近，海勒博士及其實驗室里的博士后研究員瑞恩·威廉姆斯（Ryan Williams）博士跟來自紐約大學的同行們進行了合作，他們證明了相同的植入式納米傳感器可以在患病的動物身上探測出卵巢癌，這一發現報道在《科學進展》雜志上。

海勒說：“這聽起來就像科幻小說，但是我們正在努力使其成為現實。我們的目標是，對最有希望的先進項目進行開發，將其應用于臨床試驗中。”

（胡德良譯自科學美國人網站scientificamerican.com）