加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的一個(gè)研究小組設(shè)計(jì)了一種新的早期藥物發(fā)現(xiàn)方法，該方法利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的技術(shù)與強(qiáng)大的新工具相結(jié)合：一種改變其外觀的轉(zhuǎn)基因癌細(xì)胞譜系用針對(duì)常見(jiàn)疾病途徑的藥物治療。研究人員希望利用這些細(xì)胞 - 結(jié)合類似于人臉識(shí)別軟件所使用的算法 - 根據(jù)其生物學(xué)功能快速組織機(jī)構(gòu)化合物庫(kù)中數(shù)十萬(wàn)個(gè)分子，極大地促進(jìn)了對(duì)新藥和更好藥物的研究。用于治療癌癥和其他疾病。出于這個(gè)原因，他們將細(xì)胞稱為ORACLs(Optimized Reporter細(xì)胞系，用于注釋復(fù)合文庫(kù))。

描述新方法的論文于2015年12月14日在線發(fā)表在Nature Biotechnology雜志上。

共同資深作者Steven Altschuler博士和Lani Wu博士是加州大學(xué)舊金山分校藥學(xué)院的藥物化學(xué)教授，并在德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心進(jìn)行了該領(lǐng)域的初步研究。他們認(rèn)為藥物發(fā)現(xiàn)更像是基因組學(xué)領(lǐng)域，研究人員花費(fèi)數(shù)十年時(shí)間對(duì)大型基因組數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行注釋，因?yàn)樵絹?lái)越多的功能被發(fā)現(xiàn)用于個(gè)體基因和調(diào)控元素。通過(guò)這種社區(qū)努力，研究人員現(xiàn)在可以快速識(shí)別感興趣的特定基因，以進(jìn)行更有針對(duì)性的調(diào)查。

使用ORACL對(duì)現(xiàn)有化合物庫(kù)進(jìn)行功能性注釋可以獲得類似的好處，使研究人員能夠快速鑒定與特定疾病途徑臨床相關(guān)的藥物，并顯著簡(jiǎn)化科學(xué)家使用共享藥物發(fā)現(xiàn)設(shè)施或核心的方式，這在學(xué)術(shù)研究中很常見(jiàn)。

“藥物篩選核心非常繁忙 - 它們不斷運(yùn)行，”吳說(shuō)。“問(wèn)題在于篩查結(jié)果通常無(wú)法重復(fù)使用。當(dāng)你有一個(gè)新的生物靶點(diǎn)，你想用藥物打擊時(shí)，你必須再次篩選整個(gè)化合物庫(kù)。”

形狀轉(zhuǎn)換細(xì)胞揭示了藥物機(jī)制

研究人員通常使用“報(bào)告細(xì)胞”篩選有效的藥物，這些細(xì)胞經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以改變其行為或外觀以應(yīng)對(duì)成功治療。但是，ORACL的創(chuàng)建 - 一種能夠區(qū)分多種常見(jiàn)藥物類別的單一報(bào)告細(xì)胞系 - 需要采用不同的方法。

“我們不知道如何根據(jù)我們現(xiàn)有的生物學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)多功能的記者細(xì)胞，”Chien-Hsiang“Charles”Hsu說(shuō)，他是Altschuler和吳實(shí)驗(yàn)室的研究生，也是新研究的共同主要作者。“所以我們想，為什么不隨機(jī)標(biāo)記蛋白質(zhì)并用藥物篩選細(xì)胞，看看哪條生產(chǎn)線可以產(chǎn)生符合我們目標(biāo)的反應(yīng)?”

研究人員根據(jù)現(xiàn)有的肺癌細(xì)胞系，通過(guò)用熒光標(biāo)記標(biāo)記隨機(jī)選擇的基因，創(chuàng)建了93種細(xì)胞系。他們用一組屬于六種常用癌癥藥物的30種化合物處理來(lái)自這些譜系的細(xì)胞，然后用自定義算法分析細(xì)胞圖像。正如團(tuán)隊(duì)所希望的那樣，不同的藥物使細(xì)胞以不同的方式改變其形狀和熒光模式，使軟件能夠推斷出應(yīng)用了哪種類型的藥物。

正如預(yù)期的那樣，一些細(xì)胞系比其他細(xì)胞系更具信息性：研究人員高興的是，一種細(xì)胞系證明能夠區(qū)分六種藥物類別，準(zhǔn)確率為94%。細(xì)胞對(duì)不同藥物類型的特征反應(yīng)的一些更微妙的方面需要計(jì)算機(jī)算法檢測(cè)，但在顯微鏡下其他一些是顯而易見(jiàn)的：DNA損傷藥物導(dǎo)致細(xì)胞膨脹，而HDAC抑制劑產(chǎn)生尖銳的外觀。MTOR抑制劑在整個(gè)細(xì)胞中產(chǎn)生暗淡的熒光，而用hsp90抑制劑處理導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的熒光斑點(diǎn)。

研究人員發(fā)現(xiàn)了他們的ORACL。

Oracular細(xì)胞可以篩選化合物庫(kù)以查找被忽視的藥物

為了測(cè)試他們的ORACL細(xì)胞，該團(tuán)隊(duì)篩選了來(lái)自幾個(gè)機(jī)構(gòu)化合物庫(kù)的10,000多個(gè)未知功能的小分子。他們的分析鑒定了106個(gè)分子，這些分子對(duì)細(xì)胞的影響與最初選擇ORACL的“訓(xùn)練”藥物相匹配，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些匹配中至少有90個(gè)影響與訓(xùn)練藥物相同的生物途徑。

令研究人員驚訝的是，ORACL細(xì)胞也對(duì)一系列其他化合物產(chǎn)生了特征性反應(yīng)，其中一些化合物屬于原始訓(xùn)練集中未包括的藥物類別，包括ER和Aurora激酶抑制劑，糖皮質(zhì)激素類固醇，ATP酶抑制劑，和二氫葉酸還原酶抑制劑，以及其他十幾種分子，其共同的生物學(xué)功能尚不清楚。“令人驚奇的是，”Altschuler說(shuō)，“我們能夠一次完成一個(gè)屏幕，同時(shí)捕捉到許多不同類別的分子。”

目前，研究人員正在擴(kuò)大其篩選范圍，以便快速注釋含有數(shù)十萬(wàn)個(gè)分子的化合物庫(kù)。他們希望采用ORACL來(lái)識(shí)別新化合物，這些化合物會(huì)影響生物學(xué)途徑，目前的藥物有太多的副作用，或者錯(cuò)過(guò)某些患者群體。他們可以找到影響由少數(shù)已知藥物或甚至藥物影響的途徑的化合物，其效果似乎遠(yuǎn)離任何已知的生物途徑。“這些都是藥物發(fā)現(xiàn)的早期步驟，”Altschuler說(shuō)。“我們希望找到更多高質(zhì)量的化合物將使所有后續(xù)步驟更加高效。目前這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)數(shù)十億美元多年。這樣做會(huì)不會(huì)更好?”