全球約 15% 的人口（超過 10 億人）遭受神經(jīng)系統(tǒng)疾病的困擾，這其中包括人們熟知的阿爾茨海默病、帕金森病，以及其它數(shù)百種較少被人所了解的罕見疾病。

總部位于圣地亞哥的初創(chuàng)公司 BrainStorm Therapeutics 正在通過 AI 驅(qū)動的計算藥物發(fā)現(xiàn)技術(shù)，結(jié)合使用類器官（由患者干細(xì)胞培育的微型 3D 腦細(xì)胞團(tuán)）的實驗室實驗，加速針對這些疾病的治療方法研發(fā)。這種將臨床數(shù)據(jù)和 AI 模型相互結(jié)合以加速藥物開發(fā)的混合迭代方法，被稱為 “實驗室閉環(huán) (lab in the loop)”。

“大腦是現(xiàn)代生物學(xué)的最后疆域，”BrainStorm 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Robert Fremeau 表示。他曾在 Amgen 擔(dān)任神經(jīng)科學(xué)科學(xué)總監(jiān)，并在杜克大學(xué)和加州大學(xué)舊金山分校任教。“通過將我們的類器官疾病模型與生成式 AI 的強(qiáng)大能力相結(jié)合，我們現(xiàn)在有能力開始解開疾病網(wǎng)絡(luò)背后復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)制?！?/p>

該公司的目標(biāo)是降低治療腦部疾病的候選藥物在臨床試驗中的失敗率（目前超過 93%），并找到可以應(yīng)用于多種疾病的治療方法。實現(xiàn)這些目標(biāo)將能夠提升針對罕見和常見疾病的治療方法的研發(fā)速度，且更具有經(jīng)濟(jì)可行性。

BrainStorm 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Jun Yin 解釋：“如此高的臨床試驗失敗率主要是因為傳統(tǒng)的以嚙齒動物或二維細(xì)胞為基礎(chǔ)的臨床前模型，無法預(yù)測針對人體的療效。而通過將人類來源的腦類器官與 AI 驅(qū)動分析相結(jié)合，我們正在構(gòu)建一個能更好反映人類神經(jīng)生物學(xué)復(fù)雜性并提高臨床成功可能性的平臺?！?/p>

在 Fremeau 和 Yin 看來，BrainStorm 的平臺有望加快開發(fā)進(jìn)程，降低研發(fā)成本，并顯著提高為患者帶來有效療法的可能性。

BrainStorm Therapeutics 的 AI 模型使用NVIDIA BioNeMo框架開發(fā)，在云端的 NVIDIA GPU 上運行。BioNeMo 是一套用于計算藥物發(fā)現(xiàn)的編程工具、庫和模型。該公司是NVIDIA Inception的成員，NVIDIA Inception 是一個由領(lǐng)先初創(chuàng)公司組成的全球網(wǎng)絡(luò)。

培養(yǎng)皿中的臨床試驗

BrainStorm Therapeutics 使用 AI 模型來繪制腦部疾病的基因圖譜，利用這些圖譜識別出有潛力的藥物靶點和臨床生物標(biāo)志物。而通過類器官，研究人員能夠每天在人類腦細(xì)胞上直接篩選數(shù)千種藥物分子，在開始臨床試驗之前就能測試潛在療法的有效性。

“大腦會產(chǎn)生腦電波，這些腦電波可以通過腦電圖 (EEG) 等掃描檢測到，可用于測量神經(jīng)元的電活動，”公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運營官 Maya Gosztyla 表示?！拔覀兊念惼鞴僖灿凶园l(fā)的腦電波，使我們能夠在這個小得多的系統(tǒng)中模擬人腦中看到的復(fù)雜活動。我們將其視為研究腦部疾病的‘培養(yǎng)皿中的臨床試驗’?！?/p>

BrainStorm Therapeutics 目前正在使用患者來源的類器官，開展針對帕金森病的藥物發(fā)現(xiàn)工作。帕金森病與產(chǎn)生多巴胺（一種有助于身體運動和認(rèn)知的神經(jīng)遞質(zhì)）的神經(jīng)元的受損有關(guān)。

Fremeau 解釋：“在帕金森病中，多種遺傳變異導(dǎo)致不同細(xì)胞通路的功能障礙，但它們都指向一個共同的結(jié)果，即多巴胺神經(jīng)元的受損。通過使用 AI 模型來繪制和分析這些變異的生物學(xué)效應(yīng)，我們可以發(fā)現(xiàn)有可能減緩、阻止甚至逆轉(zhuǎn)帕金森病進(jìn)展的疾病改善治療方法?！?/p>

BrainStorm 團(tuán)隊利用來自腦類器官的單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)，對通過 BioNeMo 框架獲得的基礎(chǔ)模型進(jìn)行微調(diào)，其中包括用于基因表達(dá)分析的 Geneformer 模型。這些類器官來源于 GBA1 基因突變的患者，GBA1 基因突變是帕金森病最常見的遺傳風(fēng)險因素。

BrainStorm 還在與 NVIDIA BioNeMo 團(tuán)隊合作，幫助優(yōu)化 Geneformer 模型的開源訪問。

加速藥物發(fā)現(xiàn)研究

借助其專有平臺，BrainStorm 可以模擬人類大腦生物學(xué)，并模擬不同治療方法在患者大腦中的作用方式。

Gosztyla 表示：“這種模擬可以進(jìn)行數(shù)千次，比在濕實驗室中進(jìn)行的速度快得多，成本也低得多，所以我們可以非常快速地縮小治療方案的范圍。然后我們可以使用類器官來測試 AI 模型認(rèn)為有效的那部分藥物。只有在完成這些步驟之后，我們才會在人體中實際測試這些藥物?！?/p>

熒光成像板閱讀器 (FLIPR) 下的類器官視圖，該技術(shù)用于在藥物篩選中研究化合物對細(xì)胞的作用

通過這項技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)用于治療阿爾茨海默病的藥物多奈哌齊 (Donepezil) 也可能對治療雷特綜合征 (Rett syndrome) 有效，這是一種罕見的遺傳性神經(jīng)發(fā)育障礙。在九個月內(nèi)，BrainStorm 團(tuán)隊就完成了從類器官篩選到為雷特綜合征患者申請藥物第二期臨床試驗的有關(guān)工作。這項申請最近已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)。

BrainStorm 還計劃開發(fā)多模態(tài) AI 模型，整合來自細(xì)胞測序、細(xì)胞成像、腦電圖掃描等的數(shù)據(jù)。

Yin 說：“要設(shè)計出合適的藥物，需要高質(zhì)量的多模態(tài)輸入數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)訓(xùn)練的 AI 模型將幫助我們更好地理解疾病，找到更有效的候選藥物，并最終為特定患者找到預(yù)后生物標(biāo)志物，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療?！?/p>

該公司的下一個項目是與 CURE5 基金會合作，針對 CDKL5 缺乏癥（另一種罕見的遺傳性神經(jīng)發(fā)育障礙）開展迄今為止最全面的藥物重篩計劃。

Fremeau 表示：“罕見病研究正從一個高風(fēng)險的小眾領(lǐng)域轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€充滿活力的前沿領(lǐng)域。BrainStorm 的 AI 驅(qū)動的類器官技術(shù)與 NVIDIA 的加速計算資源以及 NVIDIA BioNeMo 平臺相結(jié)合，極大地加快了創(chuàng)新的速度，同時降低了成本。過去需要十年時間和數(shù)十億美元才能完成的研究，現(xiàn)在可以在幾個月內(nèi)用少得多的資源完成?！?/p>