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深圳灣實驗室饒浪/新加坡國立大學陳小元 Nat. Nanotechnol.:機器學習輔助納米診療
2024-10-14  來源:高分子科技

  近年來,納米材料與技術因其在藥物遞送、診斷、成像及疫苗開發等領域的獨特優勢,已被廣泛應用于臨床實踐。諸如金納米粒子、聚合物膠束以及脂質納米粒子等,已獲批用于臨床診斷,或在磁共振成像、癌癥化療及抗病毒疫苗開發等領域展現出巨大潛力。盡管前景廣闊,納米材料合成的耗時性、對納米-生物相互作用理解的不足,以及臨床轉化和商業化過程中的成本控制等問題,成為了制約納米材料與技術進一步發展的瓶頸。


  機器學習(Machine Learning, ML),作為人工智能的一個重要分支,專注于構建能夠從數據中學習并自主決策的模型。它涵蓋了監督學習(如邏輯回歸、KNN、隨機森林等)、無監督學習(如k-means、層次聚類等)、半監督學習(如自訓練、協同訓練)以及強化學習(如馬爾可夫決策過程、Q-學習)等多種方法。憑借其在處理耗時任務和結果感知任務上的獨特優勢,ML有望為納米診療劑及其策略的發展開辟了新的途徑。


  2024年10月3日,深圳灣實驗室饒浪/新加坡國立大學陳小元等在《自然:納米技術》(Nature Nanotechnology)雜志在線發表了題為“機器學習輔助納米診療”(Designing nanotheranostics with machine learning)的綜述論文(圖1),回顧了納米診療領域的最新研究進展,詳細闡述了納米診療所面臨的挑戰并深入探討ML該領域的發展所帶來的機遇,有望納米診療領域的發展提供思考借鑒


圖1、論文首頁截圖。


  在ML引導納米粒子合成方面,納米粒子的形態、尺寸及表面化學等特性對其功能至關重要。為了在診療中實現納米粒子的最佳利用,必須對其特性進行精確控制,這涉及多種試劑和相互依賴的實驗條件。ML在規劃實驗和預測結果上具有顯著優勢,如利用神經網絡建立反應條件與金屬納米粒子平均尺寸之間的關聯,或運用遺傳算法探索納米粒子形狀的演變等(圖2。ML為加速納米顆粒的開發提供了一種有前景的解決方案,并有望推動新納米顆粒的發現。


圖2、ML輔助納米材料合成。


  在ML輔助理解納米-生物相互作用方面,深入了解納米生物相互作用對于開發更安全、更有效的納米顆粒至關重要。ML模型在數據聚類、分類及預測上的獨特優勢,有助于識別影響納米生物相互作用的關鍵因素。通過ML模型,可以預測蛋白質在納米粒子表面的吸附及其相關生物效應,利用蛋白質冠信息預測納米細胞相互作用、細胞毒性,以及加速預測腫瘤組織的藥物遞送效率和納米粒子在體內的分布及毒性(圖3。ML加速了對納米顆粒與細胞間相互作用的理解,為開發安全、高效的納米顆粒提供了有力支持。


圖3、ML輔助理解納米相互作用。


  在ML增強納米診療應用方面,納米技術已開發出一系列具有診斷和治療能力的納米治療平臺,以強化疾病管理。近年來,計算能力和大數據的顯著提升極大地推動了ML的發展,為納米治療診斷應用帶來了前所未有的機遇。例如,ML被應用于納米等離子體檢測和納米孔測序中,提高了檢測的準確性和靈敏度,包括運用支持向量機算法檢測新冠病毒等(圖4)。ML的引入提高了臨床檢測和分子成像的準確性,以及治療策略和/或藥物的療效。


圖4、ML輔助納米診療應用。


  本論文既強調了ML輔助納米診療的獨特機遇,也指出了該領域面臨的重大挑戰。盡管我們正處于大數據時代,但納米診療的數據對于ML建模來說仍然相對匱乏,需要投資收集專門的數據集或生成模擬數據。同時,納米診療數據具有復雜性,需要整合多模態和多尺度數據,這可通過多種策略加以克服。此外,ML模型的“黑箱”性質限制了對生物機制和臨床結果的理解,需要開發新的策略來解決這一問題。因此,ML輔助納米治療診斷中最核心、最關鍵的挑戰在于迫切需要大量、可靠且注釋良好的數據來訓練ML模型。在未來,數學、計算機科學、納米技術、材料科學、生物學、化學及臨床醫學等多學科的專家需要攜手合作,以更好地利用人工智能促進納米診療的發展。


  深圳灣實驗室饒浪與新加坡國立大學陳小元為本文的共同通訊作者,麻省理工學院/波士頓學院袁園、騰訊AI實驗室/英特靈達沈西、清華大學喻國燦對本文也做出了重要貢獻。本工作受國家自然科學基金、深圳市醫學研究專項基金等資助。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41565-024-01753-8 

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(責任編輯:xu)
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