近日，中山大學(xué)博士生李孟燃和中國(guó)科學(xué)院香港創(chuàng)新研究院臧澤林博士及合作者打造出一種名為 CHMR 的 AI 系統(tǒng)，堪比一位擁有細(xì)胞之眼的 AI 化學(xué)家，能讓藥物研發(fā)變得更精準(zhǔn)和更安全。

經(jīng)過(guò)在 9 個(gè)大型公開(kāi)數(shù)據(jù)集、累計(jì) 728 項(xiàng)藥物屬性預(yù)測(cè)任務(wù)上的嚴(yán)格測(cè)試，CHMR 大獲全勝。

在預(yù)測(cè)藥物活性和藥物毒性等分類(lèi)任務(wù)上，平均性能比此前最先進(jìn)的 AI 方法高出 3.6%。在預(yù)測(cè)藥物在體內(nèi)的溶解性和代謝率等回歸任務(wù)上，平均誤差降低了 17.2%。在數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失的一些現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景之下，CHMR 的表現(xiàn)依然穩(wěn)健可靠。

圖 | 李孟燃（來(lái)源：李孟燃）

李孟燃告訴 DeepTech：“我同時(shí)考慮了多模態(tài)（細(xì)胞、基因）數(shù)據(jù)的缺失性問(wèn)題，并且將分子、細(xì)胞、基因之間的層級(jí)關(guān)系耦合到一個(gè)模型框架中進(jìn)行建模。將這兩方面結(jié)合起來(lái)做，可能是我們率先嘗試的?！?/p>

眾所周知，藥物是人類(lèi)對(duì)抗疾病的重要武器。但是，研發(fā)新藥就像大海撈針，傳統(tǒng)方法主要依靠分析藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)比如原子如何連接、分子形狀如何來(lái)預(yù)測(cè)它是否有用和是否安全。然而，藥物真正地發(fā)揮作用，是在它進(jìn)入我們身體與細(xì)胞相遇之后。

藥物分子就像一把鑰匙，能夠打開(kāi)細(xì)胞上的特定的靶點(diǎn)，從而引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)：細(xì)胞的外形可能改變，內(nèi)部的基因活動(dòng)也會(huì)改變。這些細(xì)胞的反應(yīng)，才是決定藥效和毒副作用的關(guān)鍵。

可惜的是，在實(shí)驗(yàn)中要想獲取每種藥物對(duì)于所有細(xì)胞和所有基因的影響數(shù)據(jù)，極其昂貴和困難。人們常常只有藥物結(jié)構(gòu)的完整數(shù)據(jù)，而關(guān)于它如何影響細(xì)胞的反應(yīng)報(bào)告確實(shí)殘缺不全。

這就好比你作為老板要招聘一名新人，你只知道候選人的身高體重也就是結(jié)構(gòu)信息，卻不知道他的學(xué)歷如何、經(jīng)驗(yàn)如何也就是不知道他的能力信息，那么你很難判斷他是否適合成為你的員工。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2511.21120）

面對(duì)細(xì)胞反映數(shù)據(jù)確實(shí)這個(gè)普遍難題，CHMR 展現(xiàn)出了較強(qiáng)的智能。它的核心思想是：融合多維度信息，模仿生物世界的層次關(guān)系進(jìn)行推理。

它的第一招是使用朋友圈來(lái)補(bǔ)全信息。CHMR 非常明白這樣一個(gè)道理：即那些結(jié)構(gòu)相似的藥物，其細(xì)胞反應(yīng)可能也是相似的。當(dāng)一個(gè)藥物的某些細(xì)胞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失的時(shí)候，它會(huì)去查找這個(gè)藥物在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的鄰居也就是相似分子，通過(guò)參考鄰居們已有的細(xì)胞數(shù)據(jù)，它可以像玩填字游戲一樣，科學(xué)地推測(cè)出缺失的信息，這比簡(jiǎn)單地使用零或隨機(jī)值填充要準(zhǔn)確得多。

它的第二招是使用對(duì)齊化學(xué)與生物的語(yǔ)言。化學(xué)結(jié)構(gòu)比如分子圖和細(xì)胞反應(yīng)比如基因表達(dá)數(shù)據(jù)，是兩種完全不同的語(yǔ)言。CHMR 就像是一位精通雙語(yǔ)的翻譯，它可以將這兩種信息映射到同一個(gè)語(yǔ)義空間里，確?！皻⑺腊┘?xì)胞的藥物”這個(gè)含義，在化學(xué)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞反應(yīng)兩種表達(dá)中得到同意的理解和關(guān)聯(lián)。

它的第三招是通過(guò)構(gòu)建知識(shí)樹(shù)來(lái)理解層次關(guān)系。CHMR 能夠意識(shí)到，從藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)的最底層，到細(xì)胞形態(tài)變化的中間層，再到基因活動(dòng)改變的最頂層，存在一個(gè)天然的生物層次關(guān)系。CHMR 在 AI 大腦里構(gòu)建了一棵決策樹(shù)，樹(shù)的淺層根節(jié)點(diǎn)代表著廣泛的化學(xué)特征，隨著走向深層枝葉，所代表的信息越來(lái)越具體，比如特定的細(xì)胞反應(yīng)模型或者基因通路。通過(guò)這棵樹(shù)，CHMR 能夠系統(tǒng)地組織知識(shí)，理解藥物作用從微觀化學(xué)到宏觀生物效應(yīng)的完整鏈條。

它的第四招是在關(guān)系網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)自我完善。CHMR 還引入了一個(gè)包含分子、細(xì)胞、基因的龐大知識(shí)圖譜，圖譜中的連線代表它們之間已知的相互作用，比如某種藥物已知能夠調(diào)控某個(gè)基因。CHMR 會(huì)在這個(gè)圖譜里進(jìn)行隨機(jī)游走，學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)之間的影響關(guān)系，從而更好地重建和理解確實(shí)的信息。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2511.21120）

這讓 CHMR 主要能被用于加速安全型新藥的誕生、成為老藥新用的探測(cè)器、成為個(gè)性化醫(yī)療的助推器以及成為探索生物奧秘的新工具。

對(duì)于制藥公司來(lái)說(shuō)，其可以利用 CHMR 在早期就從海量候選分子之中，更準(zhǔn)確地篩選出那些有效且低毒的優(yōu)秀分子，大幅地節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本，讓藥物更早來(lái)到患者身邊。

對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，其可以利用 CHMR 來(lái)挖掘現(xiàn)有藥物未知的生物效應(yīng)，助力發(fā)現(xiàn)一些已經(jīng)上市的藥物在治療新型疾病上的潛力即發(fā)現(xiàn)藥物重定位的潛力，例如一種舊藥可能意外地能夠有效治療另一種罕見(jiàn)病。

對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，其能將 CHMR 作為一款強(qiáng)大的計(jì)算顯微鏡，系統(tǒng)性地探索“化學(xué)擾動(dòng)-細(xì)胞表型-基因表達(dá)”之間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，助力揭示更多生命活動(dòng)的底層規(guī)律。

參考資料：

相關(guān)論文https://arxiv.org/abs/2511.21120