記者8月20日從南開大學(xué)獲悉，該校環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點實驗室胡獻(xiàn)剛教授團隊，將環(huán)境毒理大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)（機器學(xué)習(xí)）結(jié)合，提出可解釋的因果系統(tǒng)優(yōu)化（ICSO）框架，篩選了影響納米材料生物毒理效應(yīng)的關(guān)鍵因素，為納米材料應(yīng)用趨利（靶向器官遞送）避害（降低毒性副作用）提供了方法學(xué)支撐。相關(guān)成果日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》上。
據(jù)介紹，納米材料由于其非凡的性能，如高比表面積和多功能性，被認(rèn)為是21世紀(jì)必不可少的功能材料，在醫(yī)療保健、免疫治療、智能材料和生態(tài)環(huán)境等多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但納米材料在應(yīng)用過程中，往往面臨應(yīng)用效果與納米毒性的兩難困境，比如，在提升作用器官的靶向積累的同時也會引起機體的免疫反應(yīng)和毒性效應(yīng)。
“如何在提升納米材料向靶器官積累的同時，降低機體的免疫反應(yīng)和毒性效應(yīng)，一直是國內(nèi)外學(xué)者努力想獲得的結(jié)果。”胡獻(xiàn)剛說。
近些年，隨著納米材料器官積累和毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)的不斷累積以及人工智能技術(shù)在大數(shù)據(jù)分析上的發(fā)展，解決上述難題逐漸成為可能。
“納米材料進(jìn)入生物體后產(chǎn)生的毒理效應(yīng)往往是復(fù)雜且非線性的，利用常規(guī)統(tǒng)計模型難以深入厘清納米材料與生物體的相互作用。”胡獻(xiàn)剛介紹，機器學(xué)習(xí)在處理非線性數(shù)據(jù)上具有明顯優(yōu)勢，但很難實現(xiàn)納米材料積累增強與毒性降低的雙贏。機器學(xué)習(xí)與多目標(biāo)優(yōu)化方法結(jié)合，有望解決上述難題。
基于此，團隊通過挖掘環(huán)境毒理大數(shù)據(jù)，利用多種機器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測了16種包括納米材料特性、動物特性以及實驗條件在內(nèi)的變量對15種免疫反應(yīng)和器官積累指標(biāo)的影響，通過提出可解釋的因果系統(tǒng)優(yōu)化（ICSO）框架，構(gòu)建起準(zhǔn)確預(yù)測和智能納米材料優(yōu)化的上下游任務(wù)，實現(xiàn)了對比表面積、直徑和Zeta電位等多種特性的生物反應(yīng)的量化預(yù)測，并為智能納米材料的設(shè)計提供了定量信息和優(yōu)化條件。簡言之，就是通過該方法摸清在什么樣的納米材料屬性條件下，能達(dá)到納米材料在靶器官的積累以及降低毒性的雙重目的。
胡獻(xiàn)剛表示：“納米顆粒在進(jìn)入環(huán)境和生物體后，可能產(chǎn)生復(fù)雜的環(huán)境毒理效應(yīng)。通過該研究框架提出的優(yōu)化策略或優(yōu)化方法，可以實現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向的最佳納米材料設(shè)計，從而擺脫材料設(shè)計的人為經(jīng)驗依賴性，降低傳統(tǒng)試錯產(chǎn)生的時間和經(jīng)濟成本。”
當(dāng)前，機器學(xué)習(xí)在健康領(lǐng)域的應(yīng)用，以預(yù)測和關(guān)鍵影響因素篩選為主。在未來，機器學(xué)習(xí)不僅能實現(xiàn)研究對象的預(yù)測，更可以通過與優(yōu)化技術(shù)、優(yōu)化方法結(jié)合，促使研究對象向人們希望的方向發(fā)展，達(dá)到最優(yōu)化的目的，加快新技術(shù)、新材料、新方法的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。
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