新型抗生素靶向炎症性肠病 人工智能在科学家证实前已预测其作用机制

New antibiotic targets IBD — and AI predicted how it would work before scientists could prove it - Faculty of Health Sciences

麦克马斯特大学研究生丹妮丝·卡塔库坦（左）和助理教授乔恩·斯托克斯（右）发现了新型抗生素，并利用尖端人工智能确定其作用机制。

麦克马斯特大学与麻省理工学院（MIT）研究人员同时取得两项科学突破：他们不仅发现了一种靶向炎症性肠病（IBD）的全新抗生素，还成功运用新型人工智能技术精准预测该药物的作用机制。据研究团队所知，这是全球首次实现人工智能对药物作用机制的准确预测。

10月3日发表在《自然·微生物学》期刊的这项发现，为全球数百万克罗恩病及其他相关疾病患者揭示了极具前景的治疗新选择，同时彰显了人工智能在药物研发领域的重要新应用。

“这项工作表明，在人工智能引导的药物发现领域，我们仍处于起步阶段，”麦克马斯特大学生化与生物医学科学系助理教授、该研究首席研究员乔恩·斯托克斯表示，“得益于人类与生成式人工智能的协作，我们专为靶向IBD设计的新药研发进程得以大幅加速。”

专治炎症性肠病的抗生素

当前临床使用的大多数抗生素属于“广谱”药物，意味着它们在杀灭致病菌的同时也会清除有益菌群——斯托克斯解释道：“它们如同核武器。”

这可能导致侵袭性耐药菌（如大肠杆菌）乘机定植肠道，进而加剧克罗恩病等疾病。

但麦克马斯特大学发现的新型抗生素enterololin属于“窄谱”药物，意味着它能保护肠道菌群，仅针对性攻击特定致病菌群——本案例中的肠杆菌科（Enterobacteriaceae），该科恰好包含大肠杆菌。

这不仅意味着它能杀灭大肠杆菌，更从源头上减少了耐药菌株在肠道定植的机会。

“这种新药对数百万炎症性肠病患者而言是极具前景的治疗候选药物，”同时担任马尼克斯·E·希尔辛克生物医学创新与创业学院（Marnix E. Heersink School of Biomedical Innovation and Entrepreneurship）教员的斯托克斯表示，“我们目前尚无这些疾病的治愈方法，开发出能有效缓解症状的药物将显著提升患者生活质量。”

药物如何起效？问人工智能即可

迄今为止，人工智能主要被用于预测潜在治疗分子，但本研究首次将其应用于描述研究者称为“作用机制”（MOA）的领域——即药物如何攻击疾病。

斯托克斯解释道：“人工智能已加速了我们探索化学空间以寻找新候选药物的速度，但此前它对解决药物研发中的主要瓶颈——理解新候选药物的实际作用——贡献甚微。”

他表示，作用机制研究对药物开发至关重要：它们帮助科学家确认安全性、优化剂量、改进疗效，有时甚至能发现全新药物靶点，同时协助监管机构判定候选药物是否适合人体使用。

但此类研究以耗时耗资著称。

斯托克斯指出，全面的作用机制研究通常需耗时两年、成本约200万美元；而借助人工智能，其团队仅用六个月、6万美元便完成了enterololin的研究。

事实上，在实验室发现该抗生素后，斯托克斯立即联系麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的同事，测试新兴机器学习平台能否加速后续作用机制研究。

仅100秒后，系统给出预测：该新药攻击一种名为LolCDE的微观蛋白复合物，这对特定细菌的生存至关重要。

“当前人工智能在药物发现中的应用多聚焦化学空间搜索，识别潜在活性新分子，”麻省理工学院工程学院教授、预测模型DiffDock开发者雷吉娜·巴齐莱表示，“而我们证明人工智能还能提供关键的机制性解释，这对推进分子研发管线至关重要。”巴齐莱近期入选《时代》杂志“全球最具影响力人工智能人物”。

斯托克斯强调，尽管预测引人注目，但它终究只是预测，仍需通过传统实验室作用机制研究验证。

“目前我们无法完全假设这些人工智能模型完全正确，但其‘可能正确’的特性消除了后续步骤的盲目性，”作为麦克马斯特大学迈克尔·G·德格鲁特传染病研究所成员的斯托克斯解释道。

因此，其团队在研究生丹妮丝·卡塔库坦主导下，以MIT预测为起点展开enterololin作用机制研究。

短短数月内，人工智能的预测被证实准确无误。

“我们完成了所有标准作用机制验证实验——检验实验是否支持人工智能预测，结果完全吻合，”斯托克斯实验室博士生卡塔库坦表示，“这种方式将我们常规时间线缩短了一年半。”

至此，斯托克斯已成功运用人工智能发现可行候选药物、加速全球药物研发，并确定新药作用机制。但谈及人工智能时，他强调其仅为达成目标的工具。

“耐药性问题与新药匮乏如同漏水的水龙头，”他表示，“你可以暂且无视，但终将面临大麻烦。人工智能是我的扳手——它是防止漏水演变成洪灾的工具，仅此而已。我的唯一目标是将新药送达所需患者，只要人工智能能助我实现此目标，我就会持续探索其新应用。”

迈向患者应用的路径

斯托克斯创立的Stoked Bio公司已从麦克马斯特大学获得enterololin授权，正对其进行人体应用优化。

该公司还在测试该抗生素改良版本对抗其他耐药菌（如克雷伯菌）的效果，早期结果令人鼓舞。

“enterololin的发现印证了麦克马斯特大学涌现的卓越科学成果，”Stoked Bio首席执行官杰夫·斯金纳表示，“我们很荣幸与该校合作，将这一突破转化为患者可用的真实疗法。”

斯托克斯表示，若进展顺利，该新药有望三年内进入人体试验阶段——其研究团队正全力争取实现这一时间表。

“从事此类转化型研究令人惊叹，”卡塔库坦感慨道，“我们在实验室发现的成果未来可能帮助患者，这确实非凡，也深刻印证了我们工作的重要性。”

本研究获得韦斯顿家族基金会、麦克马斯特大学及加拿大政府支持。

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