原创线粒体图像机制识别概念图,将时间序列、表型特征和机制参照作为三个分析环节
线粒体时序表型与药物机制参照比较的概念图。(图:J&E Bio)(J&E Bio)

从线粒体的时间变化提取药物表型

浙江大学(Zhejiang University)等团队在 Nature Computational Science 提出 MitoReID,用线粒体形态与膜电位的时间变化识别药物作用机制(mechanism of action,MOA),为表型筛选和药物再定位提供计算方法。

研究对 1068 种 FDA 批准药物暴露后的细胞进行时序成像,得到 570096 张单细胞图像。模型采用重识别框架,学习不同药物引起的表型特征,再从已知参照中寻找与待测图像相近的机制类别。

图像、序列与药物分别计数

公开补充资料说明,进一步建模采用 477 种药物的 16699 段单细胞图像序列,涉及 38 个类别,包含溶剂参照。图像处理包括质量检查、分割及跨时间点细胞匹配,把同一细胞的多张图像组成序列。

摘要报告测试集的首位检索命中率(Rank-1)为 76.32%,平均精度均值(mean average precision,mAP)为 65.92%。两者反映模型在给定参照与测试任务中的表现;单细胞图像总数与实际建模序列数是不同层级。

8 种未训练药物中,6 种预测包含已知机制

公开补充表列出 8 种未参与训练的药物,其中 6 种的预测结果包含与既有标签相符的机制,但这些类别不一定排在首位。Atropine 与 Crisaborole 两组未得到相符结果,因此作者所述 6 种成功识别,对应的是这 8 种药物中的部分结果。

模型还将茶中天然产物表儿茶素指向环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)抑制,作者随后以体外试验验证这一线索。该工作把细胞表型成像与机制识别结合,用于缩小后续目标验证的范围。

来源与延伸阅读

  1. Deep learning large-scale drug discovery and repurposing. Nature Computational Science. 2024. doi:10.1038/s43588-024-00679-4 ↗