人神经干细胞分化所得神经元的荧光显微图。
人神经干细胞分化所得神经元的荧光显微图。(Yirui Sun / Wellcome Collection;CC BY 4.0)

脑类器官提供多种反应,AI 需要明确分析任务

四川大学(Sichuan University)等中国机构研究者在 Theranostics 发表综述,讨论脑类器官、药物筛选与人工智能(artificial intelligence,AI)怎样共同支持脑靶向纳米药物研发。文章把诊断信息与治疗设计联系起来,并提出根据实验反馈反复调整候选的研发框架。

脑类器官可以同时提供细胞形态、分子标志和神经活动等信息。综述介绍的多指标评价结合影像、电生理和钙活动,旨在减少只依赖单一活力数值的局限;这些指标分别回答细胞构成、组织状态和功能变化。

数据量增加后,算法仍需对应具体任务。文中列举的 MOrgAna 用于类器官图像的自动分割和量化;图像分析能够帮助提取组织特征,但还需要把这些特征与受测药物及生物终点联系起来,才能评价其药物研究意义。

颗粒形成、细胞摄取和毒性属于不同预测目标

纳米药物设计首先要判断分子能否自组装成颗粒,以及颗粒大小如何变化。综述举出的定量结构—纳米颗粒组装预测模型(Quantitative Structure-Nanoparticle Assembly Prediction,QSNAP),使用药物分子描述信息预测组装行为和粒径,用于选择载药成分。

这个目标与药物穿过血脑屏障(blood–brain barrier,BBB)或改善脑组织病理并不相同。文章还讨论虚拟配体筛选和分子设计,用于寻找可能与靶蛋白结合的候选;分子结合、颗粒性质与组织疗效需要各自的实验支持。

另一类预测涉及颗粒进入生物环境后的相互作用。蛋白冠模型利用蛋白吸附资料,细胞摄取模型结合材料性质与细胞特征,毒性模型则使用细胞实验中的活力等终点。这些模型使用的资料来源各不相同,脑类器官是作者希望进一步纳入的实验反馈来源。

脑部递送和治疗反应的预测,还需要相应的屏障、脑组织及功能测量资料。脑类器官提供的反馈,需要与待预测的具体生物过程、对应实验和适用范围相匹配。

数据缺口会限制新候选的预测

作者把训练资料的质量列为主要障碍。稀有疾病或新靶点的数据可能不足,已有资料也包含偏差、错误、缺失及实验结果不一致。失败实验等阴性资料较少公开,还会使模型难以学习哪些设计没有达到预期。

面对新分子、新靶点时,算法可能依赖训练集中容易识别的关联,而没有学到可推广的分子关系。这会限制对新结构的判断。模型可解释性、计算资源,以及同时优化活性、选择性和可合成性等目标,也需要分别处理。

多指标模型同样受数据来源影响。细胞类型、组织成熟状态与检测方式决定了训练数据的生物含义;综述因此要求计算设计和实验验证持续对应,并讨论模型跨化学空间和跨靶点应用时的困难。

实验反馈流程是研究设想,临床关联仍待验证

作者提出的迭代框架包括计算设计与预测、候选制备、类器官等平台测试,再用新资料更新模型并进入下一轮。

框架希望将影像、分子与功能资料用于缩小后续设计范围。纳米载体形成、细胞摄取和脑组织反应分别对应不同的验证对象。

作者也指出,体外关键表型与临床生物标志物的关系,以及筛选结果对临床疗效的预测适用性,仍需深入研究。

来源与延伸阅读

  1. AI and organoid platforms for brain-targeted theranostics. Theranostics. 2026. doi:10.7150/thno.123243 ↗