我們可以用算法設(shè)計(jì)出抗體，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化免疫治療，整個(gè)生物制藥會(huì)更加精準(zhǔn)、更安全、更經(jīng)濟(jì)、更普惠。

人工智能是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到高級(jí)階段，是融合了數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、概率、邏輯、倫理等多學(xué)科于一身的復(fù)雜系統(tǒng)。從1956年達(dá)特茅斯學(xué)院助理教授約翰·麥卡錫正式提出人工智能的定義，人工智能已經(jīng)走過60多年。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Richard Lipsey和Kenneth Carlaw對(duì)通用目的技術(shù)（GPT）的標(biāo)準(zhǔn)，人類發(fā)展史走到今天總共有26種通用目的技術(shù)，而人工智能就是其中一種。硅谷創(chuàng)業(yè)教父史蒂夫·霍夫曼認(rèn)為，人工智能是一股極強(qiáng)的趨勢(shì)，它會(huì)改變地球上的一切行業(yè)。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)帶來的數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在影響價(jià)值鏈的幾乎每一個(gè)方面。將人工智能應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域，可以幫助公司重塑商業(yè)模式，加速生物制藥生產(chǎn)周期。

清華大學(xué)惠妍講席教授、智能產(chǎn)業(yè)研究院（AIR）首席科學(xué)家馬維英教授在人工智能領(lǐng)域已經(jīng)深耕20余年。此前，他曾任字節(jié)跳動(dòng)副總裁兼人工智能實(shí)驗(yàn)室主任、前微軟亞洲研究院常務(wù)副院長。他的研究方向包括人工智能的幾個(gè)核心領(lǐng)域（搜索與推薦、大數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言理解與生成、計(jì)算機(jī)視覺）以及人工智能在生命科學(xué)、生物制藥、基因工程、以及個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域的跨學(xué)科研究與應(yīng)用。

“我們現(xiàn)在正在經(jīng)歷數(shù)字3.0時(shí)代，這是一個(gè)將信息與物理世界、生物世界融合的智能感知時(shí)代。健康計(jì)算就是在生物世界的數(shù)字化與智能化的大趨勢(shì)下，以人工智能和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的第四科學(xué)研究范式，輔助人類探索并解決生命健康的問題。”馬維英教授對(duì)本刊表示。

馬維英教授預(yù)測(cè)，隨著健康計(jì)算的發(fā)展，人類有望提前預(yù)測(cè)新冠病毒的變異毒株模型，甚至有望在未來解決癌癥難題。

問：您為什么會(huì)對(duì)AI在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生興趣？

馬維英：過去20年我一直在互聯(lián)網(wǎng)做搜索、推薦和內(nèi)容生成，基本上都是比較傳統(tǒng)的AI，例如計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、機(jī)器翻譯、個(gè)性化推薦算法等，在這些方面我做了非常多的工作。大約在2018、2019年，我意識(shí)到機(jī)器學(xué)習(xí)和生成模型如果能用到生命科學(xué)領(lǐng)域，或許會(huì)產(chǎn)生更有意義的價(jià)值。

舉個(gè)例子，我們訓(xùn)練AI寫文章的時(shí)候，每個(gè)字都可以被看成是一個(gè)離散的字符，把這些離散的符號(hào)放在一起，還要有結(jié)構(gòu)、符合語法、語意連貫，是一件很難的事情，但機(jī)器可以利用大量的詩詞文章數(shù)據(jù)、用算法不斷學(xué)習(xí)，所以機(jī)器現(xiàn)在寫出的文章不僅有模有樣，甚至如果我們把文章的中間一段拿掉，機(jī)器還能把文章還原回來。我們現(xiàn)在轉(zhuǎn)換一下，把原子、分子、氨基酸等化學(xué)物質(zhì)按照某種有意義的順序，三維地建構(gòu)在一起，最后它會(huì)形成一個(gè)有化學(xué)功能和性質(zhì)的化合物，這種小分子或大分子化合物可以跟某個(gè)藥物靶點(diǎn)結(jié)合，這問題也可以用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來解決。

所以，自然語言生成與化合物合成，問題抽象到一定程度后，背后的原理和數(shù)學(xué)問題是類似的，都是把一些離散的符號(hào)或單元組合起來，最后生成文章或化合物。用氨基酸合成出蛋白質(zhì)或者大分子藥，或者學(xué)物質(zhì)小分子藥。一旦理解了這些科學(xué)原理之后，AI技術(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科研范式就可以應(yīng)用于生命科學(xué)和生物制藥領(lǐng)域了。

我非常鼓勵(lì)做AI的人，如果對(duì)生命科學(xué)感興趣，現(xiàn)在是一個(gè)非常好的加入時(shí)機(jī)，這個(gè)領(lǐng)域有點(diǎn)像互聯(lián)網(wǎng)的元年。雖然我在過去20年里一直在做傳統(tǒng)AI，但我認(rèn)為生物世界的數(shù)字化會(huì)有巨大的發(fā)展前景，這是一片藍(lán)海。這的確需要克服跨學(xué)科的門檻，有很多新的專業(yè)知識(shí)需要學(xué)。在我看來，由人工智能賦能的生命科學(xué)與生物醫(yī)藥領(lǐng)域，包括個(gè)人健康管理、新藥研發(fā)，個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)療等是未來十年最大的機(jī)會(huì)。

問：在生命科學(xué)領(lǐng)域，您現(xiàn)在專注于哪個(gè)方向？

馬維英：在清華大學(xué)智能產(chǎn)業(yè)研究院（AIR），我們的團(tuán)隊(duì)致力于打破AI與生命科學(xué)領(lǐng)域的壁壘，推動(dòng)生命科學(xué)，生物醫(yī)藥等領(lǐng)域從孤立、開環(huán)向協(xié)同、閉環(huán)發(fā)展，提出了AI生命科學(xué)的“破壁計(jì)劃”。目前團(tuán)隊(duì)主要聚焦在三個(gè)研究方向：數(shù)字治療（Digital Therapeutic），AI驅(qū)動(dòng)的藥物設(shè)計(jì)（AI-powered Drug Discovery），以及精準(zhǔn)治療（Precision Medicine）。這三個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)四種“藥”：數(shù)字藥、化學(xué)藥、生物藥和基因藥，我們想做“藥神”（笑）。拿數(shù)字藥來說，如果我們有一個(gè)智能健康助手，越用越智能，越用越了解你，它可以通過個(gè)性化學(xué)習(xí)幫助管理你的健康，你的健康數(shù)據(jù)可以通過所佩戴的可穿戴式設(shè)備來獲取，這樣就可以實(shí)現(xiàn)從測(cè)量、評(píng)估、指導(dǎo)和干預(yù)整個(gè)健康管理環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)，這就是AI增強(qiáng)個(gè)人健康。

我們另一個(gè)工作是AI制藥，抗體設(shè)計(jì)就很適合用AI的方式輔助，一個(gè)病毒出現(xiàn)后，對(duì)應(yīng)的中和抗體的氨基酸序列應(yīng)該是什么樣？如果有了病毒的基因序列，解析出了抗原的表位結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能解析出病毒與人類的交互方式，我們就可以利用AI和計(jì)算的方法快速把抗體設(shè)計(jì)出來。

此外，AIR蘭艷艷教授也帶領(lǐng)學(xué)生做了一些基因測(cè)序方面的工作，并在2021年的創(chuàng)新工場(chǎng)Deecamp競(jìng)賽中獲得了冠軍。我們已知基因90%是未編碼的，團(tuán)隊(duì)利用基因的未編碼部分，結(jié)合前沿的預(yù)訓(xùn)練技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)全新的模態(tài)。

這些技術(shù)一旦突破，會(huì)產(chǎn)生巨大的影響力，相當(dāng)于人類多了一個(gè)“外掛”的計(jì)算免疫系統(tǒng)。

問：現(xiàn)在中國這一領(lǐng)域研究，達(dá)到了一個(gè)什么樣的水平，跟世界水平相比如何？

馬維英：過去10年人工智能在中國飛速發(fā)展，也涌現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的青年AI人才，尤其是在移動(dòng)端互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，中國可以說是“彎道超車”，引領(lǐng)了世界AI發(fā)展的新浪潮。但在生命科學(xué)領(lǐng)域里的AI應(yīng)用，總體來說目前還尚處在開始階段，發(fā)展空間很大。頂尖的跨界人才的數(shù)量和歐美相比還是有差距，由于AI和生命科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)鴻溝較大，相比于其他傳統(tǒng)AI領(lǐng)域，例如CV（計(jì)算機(jī)視覺）、NLP（自然語言處理）等領(lǐng)域，智慧醫(yī)療領(lǐng)域更需要能夠跨界的人才。

另外生命科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)的“成熟度”較低，機(jī)器還無法直接利用學(xué)習(xí)，而且還要做到數(shù)據(jù)“可用不可見”，保護(hù)隱私。在數(shù)據(jù)集的建立方面，中國還需要進(jìn)一步發(fā)展。例如，目前美國有一個(gè)非常大的癌癥病人數(shù)據(jù)庫，但是這個(gè)數(shù)據(jù)庫缺乏中國人的數(shù)據(jù)，他們有五十幾種癌癥病種數(shù)據(jù)庫，而我們只有五種。現(xiàn)在有新的基因測(cè)序技術(shù)，我認(rèn)為中國可以建立一個(gè)更好、更全的癌癥病理庫，對(duì)于癌癥早篩和治療這是非常寶貴的。在這個(gè)方面，中國有非常多的機(jī)會(huì)。

問：您對(duì)于AI和生命科學(xué)結(jié)合在應(yīng)用層面的遠(yuǎn)景怎么看？

馬維英：生命科學(xué)領(lǐng)域的前景，我認(rèn)為還非常值得想象。例如在未來，個(gè)性化藥物會(huì)出現(xiàn)。現(xiàn)在每個(gè)藥的研發(fā)平均要花10年時(shí)間，平均投入25億美元。將來，如果我們能夠用AI的技術(shù)，加快藥物研發(fā)的周期，并針對(duì)個(gè)體的基因序列和新抗原設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的藥物精準(zhǔn)治療，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的免疫療法，整個(gè)生物制藥會(huì)更加精準(zhǔn)、更安全、更經(jīng)濟(jì)、更普惠。

我個(gè)人有這樣一個(gè)夢(mèng)想和希望：未來人類一定可以攻克癌癥。

問：癌癥會(huì)有不同的類型，都可以解決嗎？

馬維英：癌癥有非常多亞型，這的確是個(gè)難題。即使患有相同的癌癥，每個(gè)病人基因變異或者癌癥亞型可能都不太一樣。如果我們能夠?qū)Π┌Y的機(jī)理了解得更深，能快速設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出個(gè)體化的靶向藥物，對(duì)癌癥死亡率會(huì)有一個(gè)極大的壓制。數(shù)據(jù)顯示，中國癌癥病人占全世界的25%，接近1/3的癌癥死亡率發(fā)生在中國，所以精準(zhǔn)醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步對(duì)我們非常重要。

問：在人工智能的格局中，大藥廠會(huì)是什么位置？

馬維英：整個(gè)生物制藥的流程，AI是有機(jī)會(huì)重新定義的，在新的范式下，產(chǎn)業(yè)有機(jī)會(huì)重新分工，我相信AI將引領(lǐng)生物制藥未來十年、二十年的創(chuàng)新。

問：您認(rèn)為新的產(chǎn)業(yè)格局會(huì)被新的力量改變，會(huì)以什么樣的方式改變？

馬維英：舉個(gè)例子，目前做抗體藥，要從康復(fù)病人里面去篩選，但這個(gè)過程比較像碰運(yùn)氣。每個(gè)人的體質(zhì)與免疫系統(tǒng)的健康程度有關(guān)，免疫系統(tǒng)好、人就不容易生病，面對(duì)新冠時(shí)，如果本身有一些基礎(chǔ)病，或者免疫系統(tǒng)比較弱，對(duì)抗病毒就很吃力。抗體藥就是通過注射的方式，暫時(shí)提高人的免疫力。比如醫(yī)護(hù)人員去疫區(qū)，打抗體藥后，就可以短暫地提高他的免疫力；或者患病初期、剛剛出現(xiàn)癥狀時(shí)，用抗體藥也有幫助，這就是傳統(tǒng)意義上抗體藥的原理。

我們最近孵化了一家AI制藥公司叫華深智藥，由AIR彭健教授帶隊(duì)，與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院張林琦教授的團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)了一個(gè)智能抗體設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有抗體開展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。團(tuán)隊(duì)用AI設(shè)計(jì)出了一種抗體，展示出了高效又廣譜的中和效果。這是目前全球首個(gè)用AI設(shè)計(jì)的新冠抗體，大大提高了對(duì)現(xiàn)有新冠抗體的抗病毒能力，為新一代抗體藥物的研發(fā)開創(chuàng)了全新的路徑和范式。另外，AI驅(qū)動(dòng)的新藥發(fā)現(xiàn)和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)一旦形成閉環(huán)，將在快速設(shè)計(jì)出有效抗體方面發(fā)揮巨大的潛力。你可以想象這是一個(gè)人類的“外掛系統(tǒng)”，一個(gè)可被計(jì)算的數(shù)字免疫系統(tǒng)。

問：這個(gè)研究成果現(xiàn)在在商業(yè)化的什么階段？

馬維英：目前AI設(shè)計(jì)的抗體還需要進(jìn)一步走臨床實(shí)驗(yàn)，一般大概需要1.5年的時(shí)間，但這個(gè)AI設(shè)計(jì)抗體的成功研制預(yù)示著一個(gè)新的未來。有些科學(xué)家預(yù)測(cè)，新冠病毒可能會(huì)變成一種流行病，會(huì)反復(fù)出現(xiàn)、不斷變異，最后與人類共存。在AI的幫助下，我們可以模擬并預(yù)測(cè)出它未來可能的變異，提前準(zhǔn)備，在新病毒出現(xiàn)后很快設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的中和抗體，并加速臨床實(shí)驗(yàn)。

問：這些預(yù)測(cè)所需要的數(shù)據(jù)從哪里來？

馬維英：一部分來自自公開數(shù)據(jù)，同時(shí)我們現(xiàn)在也關(guān)注納米抗體，納米抗體的來源是羊駝，它在野外經(jīng)過長年的生存演化以及和各種病毒的接觸，體內(nèi)有非常多種類的抗體，它的抗體表位更小，能夠?qū)?yīng)到更小的靶點(diǎn)，可以以組合的方式識(shí)別不同的表位，對(duì)未來抗體藥的研發(fā)提供更多可能性。

問：生命科學(xué)領(lǐng)域是不是存在一個(gè)公平性的問題？是不是富人先享有免疫外掛、先擁有個(gè)性化的藥物，或者他們的癌癥最先被治療？

馬維英：AI反而會(huì)讓生物醫(yī)藥領(lǐng)域更經(jīng)濟(jì)、更普惠、更公平。目前已有的癌癥免疫療法沒有能夠規(guī)模化，并且成本極高，大約在25萬美元。現(xiàn)在我們做這件事情就是為了讓它的成本更低、速度更快，效果更好。未來如果從國家層面去支持這件事情，人人都會(huì)受益。

文 | 《巴倫周刊》中文版撰稿人郭慧萍

編輯 |樸鳶兒

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