AI在尋找有毒化學(xué)品時擊敗動物測試
這里是在消費(fèi)類產(chǎn)品超過10種萬種化學(xué)物質(zhì)。對絕大多數(shù)人而言,關(guān)于其毒性的信息非常少。傳統(tǒng)上,研究人員將測試對動物感興趣的化學(xué)物質(zhì)。作為一個極端的例子,農(nóng)藥經(jīng)歷了大約30次動物試驗(yàn),耗資約2000萬美元,并且在五年內(nèi)消耗了10,000多只老鼠,大鼠,兔子和狗。該測試需要大約20千克的化學(xué)品;獲得這樣的量對于尚未上市的物質(zhì)來說可能是一個很大的挑戰(zhàn)。其他物質(zhì)受到較少的審查,但即使是監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)較低的產(chǎn)品,如工業(yè)化學(xué)品,在進(jìn)入市場之前也需要價值500萬美元的動物試驗(yàn)。
我們的團(tuán)隊,約翰霍普金斯大學(xué)動物測試替代中心(CAAT)尋求更好的方法。正如許多生物學(xué)家最近所做的那樣,我們轉(zhuǎn)向智能計算機(jī)程序?qū)で髱椭N覀儼l(fā)現(xiàn)人工智能(AI)可以挖掘現(xiàn)有的化學(xué)毒性數(shù)據(jù)并生成新信息。2016年,我們根據(jù)歐洲REACH法規(guī)對工業(yè)化學(xué)品注冊的10,000多種化學(xué)品編制了800,000份毒理學(xué)研究數(shù)據(jù)庫,并用它來提供先進(jìn)的預(yù)測算法,使我們能夠預(yù)測任何化學(xué)品的毒性而不涉及到動物實(shí)驗(yàn)室。
該軟件利用大數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)的強(qiáng)大功能,這是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法,可將信息從一個任務(wù)或一組項目應(yīng)用到另一個任務(wù)。類似化學(xué)品具有相似的性質(zhì)基于該原理,該軟件構(gòu)建了化學(xué)世界的地圖。類似的化學(xué)物質(zhì)彼此接近,不同的化學(xué)物質(zhì)更遠(yuǎn)。然后,該模型可以在地圖上放置新化學(xué)品,評估他們對鄰居的了解,并從該信息中猜測他們可能對健康和環(huán)境造成的潛在危害。將更多數(shù)據(jù)輸入模型,它變得越強(qiáng)大。
該數(shù)據(jù)庫與全球安全咨詢和認(rèn)證公司Underwriters Laboratories(UL)合作,已擴(kuò)展到超過1000萬個化學(xué)結(jié)構(gòu),其中超過30萬個用生物和化學(xué)物理數(shù)據(jù)注釋,其中約50,000個還包括動物數(shù)據(jù)。 。使用亞馬遜云服務(wù)器,花了兩天時間分析1000萬種化學(xué)品之間的相似點(diǎn)和不同點(diǎn),將它們放在地圖上。根據(jù)動物試驗(yàn)將此應(yīng)用于190,000種分類化學(xué)品,計算機(jī)正確地預(yù)測了87%的毒性研究結(jié)果 - 超過70%的動物試驗(yàn)在重復(fù)動物試驗(yàn)中再次發(fā)現(xiàn)有毒物質(zhì)的可能性。目前由該模型分析的九種不同危險分類的傳統(tǒng)測試消耗了歐洲安全測試中所有動物的57%,或每年約600,000只動物。這些包括諸如皮膚和眼睛刺激/腐蝕,皮膚過敏,急性毒性和致突變性的測定。
數(shù)據(jù)庫中的一些化學(xué)品已經(jīng)過度測試,造成不必要的動物死亡。例如,在兔眼中測試了兩種化學(xué)物質(zhì)超過90次;在同一眼試驗(yàn)中,69種物質(zhì)的測試超過45次。我們的AI方法可以大大減少對這些常見動物毒性測試的需求,并在此過程中節(jié)省相當(dāng)多的資金。運(yùn)行超級計算機(jī)來創(chuàng)建地圖成本大約為5,000美元,每個預(yù)測的計算機(jī)成本現(xiàn)在可以忽略不計。最重要的是,除了化學(xué)品進(jìn)入市場的規(guī)定之外,化學(xué)家可以在化合物合成之前識別危害。當(dāng)需要更換有毒化學(xué)品時,AI方法可以幫助確保選擇毒性較小的物質(zhì)。
這種方法的力量取決于數(shù)據(jù)的可用性,其實(shí)施僅適用于直接依賴于化學(xué)結(jié)構(gòu)的有毒性質(zhì)。如果潛在的生物學(xué)是復(fù)雜的 - 例如物質(zhì)與癌癥之間的聯(lián)系,或?qū)Πl(fā)育中的胚胎的侮辱 - 需要更多的信息。
在這里,大型標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫很少見,但美國某些機(jī)構(gòu)的機(jī)器人測試程序除外。這些程序已經(jīng)對超過700種細(xì)胞分析進(jìn)行了大約2,000種化學(xué)物質(zhì)處理,并且將近10,000種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)隨著計算能力現(xiàn)在更容易獲得并且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,AI可以解決許多現(xiàn)實(shí)問題,例如限制動物在安全測試和生物研究中的需求。
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