2025年4月，大分大學(xué)的Takashi Sakai等研究團(tuán)隊(duì)在《Journal of Dermatological Science》（IF＝5.408）上發(fā)表了題為“Big data-driven target identification by machine learning: DRD2 as a therapeutic target for psoriasis"的研究論文。該研究旨在解決藥物靶點(diǎn)稀缺的問題，開發(fā)了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的系統(tǒng)，能夠預(yù)測(cè)疾病相關(guān)的靶點(diǎn)分子，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于銀屑病，以探索新的研發(fā)策略。

摘要

背景：傳統(tǒng)上新藥研發(fā)依賴于研究人員利用科學(xué)知識(shí)來(lái)假設(shè)疾病機(jī)制并識(shí)別藥物。然而，藥物靶點(diǎn)的枯竭已成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致藥物研發(fā)陷入停滯。

目的：為解決藥物靶點(diǎn)稀缺的問題，我們開發(fā)了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的系統(tǒng)，能夠預(yù)測(cè)疾病相關(guān)靶點(diǎn)。為驗(yàn)證其效用，我們將該系統(tǒng)應(yīng)用于銀屑病，旨在識(shí)別新的研究策略。

方法：利用大型臨床數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算所有與目標(biāo)疾病預(yù)防相關(guān)藥物的報(bào)告比值比（ROR）。通過分析大型化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)與預(yù)防性藥物候選物通常相關(guān)的蛋白質(zhì)，從而識(shí)別靶點(diǎn)蛋白。在咪喹莫特（IMQ）誘導(dǎo)的銀屑病小鼠模型中，給予預(yù)測(cè)的有效候選物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

結(jié)果：基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)表明，帕金森病藥物可能是銀屑病的潛在預(yù)防候選藥物。進(jìn)一步分析顯示，多巴胺受體D2（DRD2）是一個(gè)潛在靶點(diǎn)。給予DRD2激動(dòng)劑可緩解小鼠的銀屑病癥狀，IL-17通路中的mRNA表達(dá)下調(diào)以及血清腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平降低均證實(shí)了這一點(diǎn)。

結(jié)論：本研究證明了新型機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)在識(shí)別潛在靶點(diǎn)方面的效用，成功揭示了DRD2在銀屑病中的作用。除銀屑病外，該系統(tǒng)在探索多種疾病的病理機(jī)制和發(fā)現(xiàn)藥物靶點(diǎn)方面具有重要潛力。

實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料

1. 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：10-11周齡雌性BALB/c小鼠

2. 藥物與試劑：咪喹莫特、喹吡羅、TRIzol Reagent、SV Total RNA Isolation System、MGIEasy rRNA Depletion Kit、MGIEasy RNA Directional Library Prep Set、Luminex® Discovery Assay Mouse Premixed Multi-Analyte Kit

3. 數(shù)據(jù)庫(kù)：FDA不良事件報(bào)告系統(tǒng)（FAERS）、ChEMBL、MATADOR、DrugBank、精神藥物篩選計(jì)劃Ki、KEGG、Binding DB、靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、KEGG DRUG數(shù)據(jù)庫(kù)

4. 引物：用于qPCR的引物

儀器

ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測(cè)量?jī)x、ND-1000分光光度計(jì)、Tapestation、DNBSEQ-G400 FAST Sequencer

實(shí)驗(yàn)過程

1. 機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)疾病靶點(diǎn)分子的方法建立：該方法分為兩部分，一是基于用藥史報(bào)告計(jì)算報(bào)告比值比（ROR），篩選出ROR<1且p值<0.05的具有疾病預(yù)防作用的藥物；二是利用基于藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)-蛋白質(zhì)相互作用組的相似性搜索算法，預(yù)測(cè)與預(yù)防性藥物相互作用的蛋白質(zhì)作為疾病靶點(diǎn)候選物。

2. 銀屑病預(yù)防藥物候選物的臨床大數(shù)據(jù)分析：使用FAERS數(shù)據(jù)庫(kù)，提取藥物相關(guān)數(shù)據(jù)（主要可疑藥物PS、次要可疑藥物SS），基于KEGG DRUG數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)藥物名稱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算所有藥物的ROR值，篩選出銀屑病預(yù)防候選藥物。

3. 銀屑病預(yù)防藥物靶點(diǎn)蛋白的相似性搜索：整合7個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的化學(xué)-蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)，利用KEGG化學(xué)功能和亞結(jié)構(gòu)（KCF-S）描述符計(jì)算藥物-化合物相似性，定義并計(jì)算每個(gè)蛋白的預(yù)測(cè)分?jǐn)?shù)S(Pi)，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)蛋白。

4. 喹吡羅對(duì)咪喹莫特（IMQ）誘導(dǎo)的小鼠銀屑病的影響研究：采用IMQ誘導(dǎo)的銀屑病小鼠模型，連續(xù)5天在小鼠剃毛的背部皮膚局部涂抹IMQ，同時(shí)腹腔注射DRD2激動(dòng)劑喹吡羅或拮抗劑利ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測(cè)量?jī)x檢測(cè)經(jīng)表皮水分流失值（TEWL）。

ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測(cè)量?jī)x

鈣吡羅對(duì)異維A酸（IMQ）誘導(dǎo)的銀屑病模型小鼠的影響。對(duì)IMQ誘導(dǎo)的銀屑病小鼠腹腔注射鈣吡羅(a)，隨后進(jìn)行臨床和組織學(xué)評(píng)估(b)。評(píng)估指標(biāo)包括：采用PASI(c)進(jìn)行臨床評(píng)分、表皮厚度(d)、真皮厚度(e)、脾臟與體重比(f)、經(jīng)皮水分流失量（TEWL）(g)以及表皮中CD3陽(yáng)性細(xì)胞計(jì)數(shù)(h)。共分析n=5只小鼠。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（SEM）表示(c)，以散點(diǎn)圖及中位數(shù)值表示（d-h）。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性采用Dunnett多重比較檢驗(yàn)（與IMQ+溶媒組比較）進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果標(biāo)記為*p < 0.05*、*p < 0.01*、**p < 0.05*。001，且* ** *p < 0.0001。圖(b)中的比例尺代表100微米。IMQ，咪喹莫特；PASI，銀屑病面積和嚴(yán)重程度指數(shù)；TEWL，經(jīng)表皮水分流失。

5. RNA測(cè)序及數(shù)據(jù)分析：提取小鼠全皮膚總RNA，制備測(cè)序文庫(kù)并測(cè)序，使用Trimmomatic修剪低質(zhì)量堿基和接頭，通過RSEM和Bowtie 2估算基因原始計(jì)數(shù)，利用edgeR程序檢測(cè)差異表達(dá)基因（DEGs），設(shè)定p值<0.05且log2倍變化（log2FC）>1.0（上調(diào)）或<-1.0（下調(diào)）為差異表達(dá)基因標(biāo)準(zhǔn)，使用pvclust對(duì)所有樣本進(jìn)行聚類分析。

6. 基因本體論（GO）和通路富集分析：利用DAVID功能注釋工具，對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行生物過程（BP）、分子功能（MF）、細(xì)胞組分（CC）的GO術(shù)語(yǔ)富集分析和KEGG通路富集分析，通過Fisher精確檢驗(yàn)評(píng)估富集的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。

7. qPCR檢測(cè)：提取小鼠全皮膚總RNA，進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄和cDNA擴(kuò)增，采用比較Ct法計(jì)算相對(duì)基因表達(dá)水平（以甘油醛-3-磷酸脫氫酶為內(nèi)參基因）。

8. 血清細(xì)胞因子水平分析：按照試劑盒說(shuō)明書，使用Luminex® Discovery Assay Mouse Premixed Multi-Analyte Kit檢測(cè)小鼠血清細(xì)胞因子水平。

9. 統(tǒng)計(jì)分析：小鼠實(shí)驗(yàn)中，組間差異采用非配對(duì)雙尾t檢驗(yàn)或Dunnett多重比較檢驗(yàn)（與對(duì)照組比較）進(jìn)行分析。

結(jié)論

1. 本研究開發(fā)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的系統(tǒng)可有效識(shí)別疾病潛在靶點(diǎn)，將其應(yīng)用于銀屑病，成功發(fā)現(xiàn)DRD2是銀屑病的潛在有效靶點(diǎn)。

2. 基于臨床大數(shù)據(jù)分析，帕金森病藥物被認(rèn)為是銀屑病的潛在預(yù)防候選藥物，其中多種多巴胺受體激動(dòng)劑（包括靶向DRD2的藥物）在列。

3. DRD2激動(dòng)劑喹吡羅可緩解IMQ誘導(dǎo)的小鼠銀屑病癥狀，表現(xiàn)為臨床評(píng)分降低、表皮和真皮變薄、脾體比降低、TEWL減少。

4. 喹吡羅可下調(diào)IMQ誘導(dǎo)的銀屑病小鼠皮膚中IL-17信號(hào)通路相關(guān)基因（如Il12b、Il22）的表達(dá)，降低血清中TNF-α和IL-10的水平。

5. 該機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)不僅適用于銀屑病，還可為多種疾病的病理機(jī)制探索和潛在靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)提供新途徑。