白杰云 / 張曉慎團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)際合作者在 PLOS Computational Biology 發(fā)表研究成果
暨南大學(xué)融媒體中心訊 心房顫動(dòng)作為全球最常見(jiàn)的心律失常，影響著約1%-2%的人口，其中女性患者不僅面臨更高的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，治療效果也普遍欠佳。近日，這一臨床難題迎來(lái)重要突破——暨南大學(xué)白杰云副教授與張曉慎教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合奧克蘭大學(xué)、根特大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者，在計(jì)算生物學(xué)頂刊《PLOS Computational Biology》發(fā)表題為“Digital twin for sex-specific identification of class III antiarrhythmic drugs based on in vitro measurements,computer models,and machine learning tools”的研究成果。該研究創(chuàng)新性地將數(shù)字孿生技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)了 III 類(lèi)抗心律失常藥物的性別特異性精準(zhǔn)識(shí)別，為心房顫動(dòng)的個(gè)性化治療開(kāi)辟了全新路徑，有望破解長(zhǎng)期以來(lái)藥物反應(yīng)存在性別差異的臨床困境。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了涵蓋 5,663名男性和 6,184名女性的心肌細(xì)胞數(shù)字孿生模型庫(kù)，結(jié)合體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，系統(tǒng)模擬了 12種臨床常用抗心律失常藥物（其中 6種為 III 類(lèi)藥物，6種為非 III 類(lèi)藥物）對(duì)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位和鈣瞬變的影響。通過(guò)提取 14項(xiàng)關(guān)鍵生物標(biāo)志物（包括靜息膜電位、動(dòng)作電位時(shí)程、鈣瞬變幅度等），團(tuán)隊(duì)利用支持向量機(jī)（SVM）等機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練出性別特異性分類(lèi)器，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì) III 類(lèi)藥物的精準(zhǔn)識(shí)別。研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：性別特異性模型顯著提升了藥物識(shí)別的預(yù)測(cè)精度，其中支持向量機(jī)分類(lèi)器的準(zhǔn)確率超 89%，F(xiàn)1分?jǐn)?shù)達(dá) 87%以上，較非性別特異性模型準(zhǔn)確率提升約 7%；靜息膜電位變化（ΔRMP）、動(dòng)作電位幅度變化（ΔAPA）、動(dòng)作電位時(shí)程（APD）及新提出的動(dòng)作電位面積變化（ΔAREA）是區(qū)分性別藥物反應(yīng)的核心生物標(biāo)志物；女性心肌細(xì)胞中 IK1、INa 和 Ito 離子電流水平較低，可能是導(dǎo)致藥物反應(yīng)性別差異的重要機(jī)制。
該研究證實(shí)納入性別因素可大幅提升抗心律失常藥物分類(lèi)的準(zhǔn)確性，為臨床精準(zhǔn)用藥提供了量化工具——例如，借助該模型能更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)女性患者對(duì)胺碘酮、索他洛爾等藥物的反應(yīng)，降低致命性心律失常（如尖端扭轉(zhuǎn)型室速）的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。此外，研究構(gòu)建的數(shù)字孿生-機(jī)器學(xué)習(xí)框架可通過(guò)模擬藥物對(duì)不同性別心肌細(xì)胞的影響，無(wú)需依賴(lài)大量臨床試驗(yàn)即可評(píng)估候選藥物的性別特異性療效，大幅加速藥物篩選流程并降低研發(fā)成本。
該論文通訊作者為暨南大學(xué)白杰云副教授與陸華主任，研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金及國(guó)家外專(zhuān)計(jì)劃項(xiàng)目等多方資助。
論文鏈接：https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1013154
責(zé)編：常凱麗