利用机器学习设计抗癌纳米颗粒

马修·敦敦诺兹 （Matthew Tontonoz） 吉姆·斯托拉德 （Jim Stallard）

马修·敦敦诺兹 （Matthew Tontonoz）

吉姆·斯托拉德 （Jim Stallard）

个性化抗癌药物已经从渺茫的希望发展到临床试验阶段。针对肿瘤独特的遗传缺陷，肿瘤学家不断地将治疗方法个性化。但是，由于这些个性化药物在抵达肿瘤的同时也同样触及健康组织，所以即使是最有针对性的治疗也会导致有害的副作用。

美国斯隆-凯特林癌症研究中心斯隆-凯特林研究所（SKI）的纳米技术专家设计了一种新方法，有助于避免靶向治疗带来的损害，提高个性化药物的精准度。丹尼尔·海勒（Daniel Heller）博士是SKI负责分子药理学项目的化学家兼威尔-康奈尔医学科学研究生院的助理教授，他说：“我们找到了一种办法，利用机器学习运算法则设计出强效纳米药物，这种药物可以发挥更强的效力和更加安全的、更加个性化的抗病作用。”

海勒的实验室所设计的纳米技术能够提高癌症的监测效率，改善癌症的治疗效果。他们这种计算机辅助的方法能够将几乎所有种类的个性化药物装进纳米颗粒中，有助于使这些药物更加安全，并发挥出更大的效力。

设计纳米药物

纳米颗粒是指直径小于人类头发千分之一的物体。以前，科学家们曾经利用纳米颗粒在人体内输送药物。但是到目前为止，一直让科学家们感到棘手的问题是：需要设计不同的纳米颗粒来输送许多较新的抗癌药物，因为每一种药物与颗粒的新型组合都需要在实验室的工作台上进行大量的开发工作。海勒博士称：“科学家们一直利用机器学习进行工作，取得了令人惊叹的成就，如自动驾驶车辆，或者帮助科学家们在大量的人类基因组数据中发现各种模式。因此我们认为，机器学习可能会帮助我们设计出更佳的纳米药物。”

海勒博士和他实验室里的博士后研究员约西·沙迈（Yosi Shamay）博士观察到，一些药物很容易装进纳米颗粒，而另外一些药物就不容易装进纳米颗粒。他们想知道是否能够确定药物的哪些性质影响了其构成颗粒的能力，他们利用机器学习运算法则筛选了许多类型的数据，确定了能够构成高质量颗粒的药物所具备的共同要素。

沙迈说：“事实证明，根据药物的结构，我们可以非常准确地预测是否能够形成颗粒。”此外，沙迈和海勒还逆向运用这个方法，设计出一种更加容易装进纳米颗粒之中的药物分子。以前的纳米颗粒多数是由聚合物和一点点靶向药物组成的，其中聚合物的用途相当于一种胶质。这种新型颗粒包含高达90%的药物，其效力要高得多。

帮助药物击中目标

SKI的科学家利用一类被称为MEK抑制剂的药物，展示了纳米颗粒的有效性。这种精准药物疗法对于某些癌症来说是有效的疗法，其中包括黑色素瘤和肺癌，这些癌症有着某类共同的突变。但是，MEK抑制剂也会破坏皮肤中的正常细胞，引起严重的皮疹，限制了药物的施用量。

海勒和沙迈跟SKI计算化学家约翰·乔德拉（John Chodera）博士的实验室人员，以及癌症生物学家兼SKI癌症生物学和遗传学项目主任斯科特·洛威（Scott Lowe）博士进行了合作，于2018年发表了上述研究成果。该团队将MEK抑制剂装进纳米颗粒中，使其跟肿瘤血管中发现的一种特定结构产生亲和力。他们利用患癌小鼠作为研究对象，结果发现这些纳米颗粒到达肿瘤血管结构中，在不影响皮肤的情况下击中了目标。

海勒说：“如果我们将这些新药有针对性地直接输送到肿瘤中，使其远离正常组织，它们的效果会好得多，副作用也就不会那么严重了……这就是我们希望这项纳米技术能够做到的事情。”

监视肿瘤生长

海勒的实验室也专注于癌症的检测工作。海勒跟同事一起证明了纳米技术可以提供有关疾病生物标记物的信息，而生物标记物就是能够显示出生物活性的分子，比如，这种分子能够显示出一个肿瘤是否正在生长。

植入式纳米传感器可以提供一种方法，在无需进行重复活检和成像扫描的情况下，可以监测癌症治疗的有效性。海勒的传感器是利用被称为纳米管的微型碳棒制作的，可以绑定在特定的生物标记物上，然后能够释放出特定波长的无害红外光。红外光可以穿过几厘米厚的组织，然后研究人员仍旧能够很容易地对其进行探测和分析。因此，可以将这种传感器植入到皮肤下面。将一个小型设备戴在手腕上，可以探测到传感器的信号，可以用作一种监测身体状况的健康跟踪器。

2017年，这项技术报道在《自然生物医学工程》杂志上。对于身体中的病灶活性状况，该技术可以揭示出有价值的信息。在患癌的高风险人群中，以及在得到成功治疗但极有可能复发的人群中，这些传感器可以用来探测癌症信息。在那些正在接受治疗的人群中，一旦需要，这些传感器能够立刻报告一种生物标记物是正在上升还是正在下降，能够帮助医生了解是否要从一种药物治疗变换到二线治疗。

最近，海勒博士及其实验室里的博士后研究员瑞恩·威廉姆斯（Ryan Williams）博士跟来自纽约大学的同行们进行了合作，他们证明了相同的植入式纳米传感器可以在患病的动物身上探测出卵巢癌，这一发现报道在《科学进展》杂志上。

海勒说：“这听起来就像科幻小说，但是我们正在努力使其成为现实。我们的目标是，对最有希望的先进项目进行开发，将其应用于临床试验中。”

（胡德良译自科学美国人网站scientificamerican.com）