Ученые ИТМО впервые использовали генетический алгоритм для поиска наночастиц, токсичных только для рака

Химики из ИТМО разработали ИИ-платформу для определения наночастиц, избирательно токсичных к раковым клеткам. Исследование опубликовано в журнале Small.

Несмотря на то, что подобные решения — алгоритмы на основе машинного обучения — уже давно помогают предсказывать токсичность наночастиц, ученые ИТМО впервые использовали для этой цели генетический алгоритм (Такой алгоритм подбирает оптимальное решение путем перебора всех вариантов, он имитирует естественный отбор. — Прим. ред.). Производительность новой модели оказалась выше, чем у аналогов. Кроме того, она способна отображать степень токсичности наночастиц для конкретных клеток в процентах.

Что важно знать

Неорганические наночастицы используют, чтобы доставить лекарство к раковым клеткам. Кроме того, они уменьшают негативное действие препарата на здоровые клетки организма, увеличивают его растворимость и даже сами могут разрушать клетки опухоли. Однако этот способ далек от совершенства — некоторые частицы токсичны не только для раковых, но и для обычных клеток. К тому же, синтез и анализ наночастиц — дорогой и трудоемкий процесс.

Как работает алгоритм

Ученые Центра искусственного интеллекта в химии научного кластера SCAMT Университета ИТМО придумали, как решить проблему с помощью машинного обучения. Исследователи научили систему прогнозировать токсичность наночастиц на основе их параметров — размера, заряда, состава и характеристик поверхности. С помощью алгоритма платформа отбирает наночастицы, токсичные только для раковых клеток.

«Принцип алгоритма такой: ученый указывает тип раковых клеток, на которых он собирается проводить эксперименты по противораковой терапии, а платформа выдает ему параметры наночастиц для синтеза. То есть ему не нужно проверять экспериментально сотни разных частиц, а он сразу может синтезировать нужные. Либо он может ввести параметры уже синтезированных частиц, а алгоритм подберет тип раковых клеток, которые наилучшим образом “поддадутся” терапии с такими частицами», — объяснили «Снобу» в пресс-службе ИТМО.

По словам исследователей, их решение поможет искать частицы, токсичные для конкретного типа рака или рассчитывать избирательное воздействие уже синтезированных веществ.

Работоспособность алгоритма химики проверили на образцах клеток рака печени, яичников и кожи (ученые использовали смешанные клеточные линии разных организмов). Суммарно они проанализировали базу данных с результатами 3700 экспериментов с разными типами наночастиц, протестированных на 75 линиях нормальных и раковых клеток.

Комментарий ученого

«Большинство лекарств против рака не являются целевыми и вызывают побочные эффекты. Наша платформа подходит химикам-экспериментаторам, которые синтезируют наночастицы для терапии. С ее помощью они могут протестировать уже синтезированные образцы для дальнейшего использования. Также она подойдет и биологам, которые ищут новые лекарства от рака. Они смогут проверить возможность избирательного воздействия наночастиц на конкретную линию раковых клеток без лишних экспериментов», — объясняет Сусан Джьякхво, автор статьи, аспирант второго курса химико-биологического кластера SCAMT Университета ИТМО.

Сейчас химики ИТМО адаптируют систему отбора наночастиц для борьбы с бактериями и грибками. Они считают, что это поможет решить проблему устойчивости микроорганизмов к антибиотикам.