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定量生物学 > 定量方法

arXiv:2503.02781v1 (q-bio)
[提交于 2025年3月4日 (此版本) , 最新版本 2025年9月24日 (v2) ]

标题: 多模态人工智能从临床前数据预测药物组合的临床结果

标题: Multimodal AI predicts clinical outcomes of drug combinations from preclinical data

Authors:Yepeng Huang, Xiaorui Su, Varun Ullanat, Ivy Liang, Lindsay Clegg, Damilola Olabode, Nicholas Ho, Bino John, Megan Gibbs, Marinka Zitnik
摘要: 从临床前数据预测临床结果对于确定安全有效的药物组合至关重要。 当前的模型依赖于结构或基于靶点的特征来识别高疗效、低毒性的药物组合。 然而,这些方法未能纳入准确且具有临床相关性的多模态数据。 在此,我们介绍了MADRIGAL,这是一种多模态AI模型,它从结构、通路、细胞活力和转录组数据中学习,以预测953个临床结果和21842种化合物的药物组合效果,包括已批准药物和开发中的新化合物的组合。 MADRIGAL使用一个变压器瓶颈模块来统一临床前药物数据模态,同时在训练和推理过程中处理缺失数据——这是多模态学习中的一个主要挑战。 它在预测不良药物相互作用方面优于单模态方法和最先进的模型。 MADRIGAL进行抗肿瘤药物组合的虚拟筛选,并支持II型糖尿病和与代谢功能障碍相关的非酒精性脂肪性肝炎(MASH)的多药管理。 它能够识别转运蛋白介导的药物相互作用。 MADRIGAL在安全性最好的治疗方案中预测了resmetirom,这是第一个也是唯一一个获得FDA批准用于MASH的药物。 通过整合癌症患者的基因组信息,MADRIGAL支持个性化癌症治疗。 使用原发性急性髓系白血病样本和患者来源的异种移植模型,它可以预测个性化药物组合的效果。 将MADRIGAL与大型语言模型集成,使用户能够用自然语言描述临床结果,通过识别潜在的不良相互作用和毒性风险来提高安全性评估。 MADRIGAL提供了一种多模态方法,用于设计具有改进预测准确性和临床相关性的组合疗法。
摘要: Predicting clinical outcomes from preclinical data is essential for identifying safe and effective drug combinations. Current models rely on structural or target-based features to identify high-efficacy, low-toxicity drug combinations. However, these approaches fail to incorporate the multimodal data necessary for accurate, clinically-relevant predictions. Here, we introduce MADRIGAL, a multimodal AI model that learns from structural, pathway, cell viability, and transcriptomic data to predict drug combination effects across 953 clinical outcomes and 21842 compounds, including combinations of approved drugs and novel compounds in development. MADRIGAL uses a transformer bottleneck module to unify preclinical drug data modalities while handling missing data during training and inference--a major challenge in multimodal learning. It outperforms single-modality methods and state-of-the-art models in predicting adverse drug interactions. MADRIGAL performs virtual screening of anticancer drug combinations and supports polypharmacy management for type II diabetes and metabolic dysfunction-associated steatohepatitis (MASH). It identifies transporter-mediated drug interactions. MADRIGAL predicts resmetirom, the first and only FDA-approved drug for MASH, among therapies with the most favorable safety profile. It supports personalized cancer therapy by integrating genomic profiles from cancer patients. Using primary acute myeloid leukemia samples and patient-derived xenograft models, it predicts the efficacy of personalized drug combinations. Integrating MADRIGAL with a large language model allows users to describe clinical outcomes in natural language, improving safety assessment by identifying potential adverse interactions and toxicity risks. MADRIGAL provides a multimodal approach for designing combination therapies with improved predictive accuracy and clinical relevance.
主题: 定量方法 (q-bio.QM) ; 人工智能 (cs.AI); 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2503.02781 [q-bio.QM]
  (或者 arXiv:2503.02781v1 [q-bio.QM] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.02781
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yepeng Huang [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 3 月 4 日 16:55:14 UTC (28,978 KB)
[v2] 星期三, 2025 年 9 月 24 日 19:32:56 UTC (7,791 KB)
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