引用文本:[1]吴琼,陈新,袁奕斌,等.人工智能在精准用药中的应用进展[J].解放军药学学报,2025,38(03):221-226+233.
作者:吴 琼,陈 新,袁奕斌,季 波
单位:南部战区总医院
【摘要】人工智能技术的迅猛发展为精准用药带来了新的机遇。精准用药旨在根据个体患者的基因组信息、生活习惯及环境因素,制订个性化的治疗方案,以提高疗效和减少不良反应。然而,尽管当前在精准用药方面已有诸多研究,但仍面临数据整合不足、模型解释性差和临床应用转化慢等问题。人工智能技术通过大数据分析、机器学习和深度学习等手段,能够有效挖掘患者数据中的潜在信息,从而辅助医师制订更为精准的用药方案。本文综述了人工智能在精准用药中的最新应用研究,探讨了其在药物剂量调整、个体化药物治疗、药物不良反应预警以及智能药物推荐等方面的创新应用,旨在为未来的研究提供参考,并促进人工智能技术在精准用药中的广泛应用。
【关键词】人工智能;精准用药;药物不良反应预警;个体化治疗
精准用药是指根据个体的遗传特征、生活方式和环境因素,为患者量身定制的医疗方案。这一理念的核心在于通过深入理解患者的生物学特征,优化药物选择和剂量,从而提高治疗效果并减少不良反应。目前,精准用药已在癌症、糖尿病、神经系统疾病和心血管疾病等多种慢性病和复杂疾病的治疗管理中展现出显著的优势和应用前景,成为现代医学研究的重要方向之一[1, 2]。
人工智能(artificial intelligence, AI)的技术方法和原理主要基于多种算法和数据来源的支持。首先,数据来源包括传感器、社交媒体、图像和视频等,这些数据经过清洗、标注和预处理后用于训练模型[3]。在算法应用方面,AI 技术涵盖了监督学习、无监督学习、迁移学习和强化学习等多种方法[4]。其中,监督学习通过标注数据集进行分类或回归分析;无监督学习用于发现数据中的潜在结构;迁移学习和强化学习分别通过知识迁移和试错策略优化决策[5]。现代计算资源如 CPU、GPU 和 TPU 等硬件支持复杂算法的高效运行,这些硬件设备在深度学习、大规模机器学习等领域发挥了重要作用。例如,GPU 和 TPU 被广泛用于加速神经网络训练和推理,显著提升了模型的训练效率和性能[6]。此外,人机协同(CoA)模式结合了人类专家的经验与 AI 的智能,以实现更精准的决策[7]。
AI 在医学领域的应用经历了多个阶段,从最初的计算机辅助诊断,到近年来深度学习和机器学习技术的广泛应用,为医疗决策提供了新的视角和工具。AI 技术通过处理和分析大量医疗数据,帮助医师做出更为精准的诊断和治疗决策,不断提高医疗服务的效率和准确性[8, 9]。AI 技术与精准用药的结合源于对个体化治疗的需求不断增加。随着基因组学和生物信息学的快速发展,医师可以获取患者的基因组数据、临床数据及其他相关信息,识别出潜在的生物标志物和治疗靶点,为患者选择合适的治疗药物,实现真正意义上的精准用药[10, 11]。
尽管精准用药的理念已逐渐被医学界接受,但在实际应用中仍面临诸多挑战,如数据整合、隐私保护及临床转化等问题[12, 13]。本文旨在探讨 AI 技术在精准用药领域的最新应用进展,包括药物剂量调整、个体化药物治疗、药物不良反应预警和智能药物推荐等方面。通过对当前研究成果和实践案例的深入分析,本文将探讨 AI 技术如何助力精准用药的优化,并为未来的研究和实践提供有益的参考。
01
AI 在药物剂量调整中的应用进展
基于 AI 的药物剂量优化算法,能够通过分析包括基因组信息、药物反应历史和临床特征等大量患者数据,为每个患者提供个性化的药物剂量建议,从而最大化疗效并最小化不良反应[14]。机器学习和深度学习是 AI 在药物剂量优化中常用的两种技术。这些技术通过分析大量的患者数据,识别出影响药物反应的模式和相关性,从而帮助医师制定更精确的剂量方案[15]。
使用 AI 辅助的药物剂量调整能够显著提高患者的治疗效果和生活质量[16]。在临床实践中,AI 在药物剂量调整应用中已取得一些显著的成果。例如,SHEN 等[17]开发了基于 AI 的 AI-PRS 平台,用于确定抗逆转录病毒疗法治疗艾滋病毒的最佳剂量和药物组合。在一项研究中,AI-PRS 分析表明替诺福韦的起始剂量可以减少 33%而不会导致病毒复发[18]。COULET 等[19]开发了一种基于医疗数据的算法,用于预测患者是否需要减少药物剂量。该算法特别关注与细胞色素 P450 酶家族相互作用的药物,并使用随机森林方法分析斯坦福大学医院的数字患者数据,以提供更具体的剂量建议。MIT Media Lab 的研究人员利用强化学习技术优化脑胶质瘤患者的化疗和放疗剂量。通过模拟 50 名患者,该模型设计了治疗周期,将剂量减少到原来的四分之一或一半,同时保持与传统方案相当的肿瘤缩小效果[20]。TANG 等[21]使用人工神经网络、贝叶斯加性回归树、增强回归树和多元自适应回归样条等机器学习技术确定免疫抑制药物他克莫司最佳给药剂量。
在慢性病管理中,AI 驱动的精确剂量管理对于透析、癌症和移植医学等领域具有重要意义[22, 23]。例如, 在糖尿病和高血压病的治疗中,AI 驱动的剂量调整工具能够实时监测患者的生理指标,并根据这些数据动态调整药物剂量,从而实现个性化治疗[24]。在优化抗凝剂和癌症治疗药物的使用中, AI 也表现出显著优势。通过考虑患者的遗传特征、器官功能和其他健康指标,AI 算法能够推荐最适合患者的剂量,以预防血栓或肿瘤复发,同时避免不必要的出血或其他不良反应[11, 25]。IBM 的 Watson Oncology 系统通过分析医学文献和临床数据,可以为肿瘤患者提供个性化的治疗建议[26, 27]。AI 还可用于描述和预测给药后的药代动力学曲线。通过结合药物动力学和药效学模型,AI 可以模拟药物在体内的分布、代谢和清除过程,并在考虑混杂因素的情况下研究药量与响应之间的关系。这些模型可用于优化研究的剂量/给药方案选择,不仅提高了药物的有效性,还减少了对动物实验和临床试验的需求,特别是在数据数量有限的特殊人群(如罕见病患者、儿童和孕妇)中进行剂量优化[27]。此外,AI 还被应用于生物制剂的剂量选择,通过分析患者的基因组数据,帮助医师选择较适合的生物制剂及其剂量,以提高治疗效果[28]。
尽管 AI 在药物剂量优化中具有巨大潜力,但其应用也面临一些挑战,如数据隐私、算法偏见和决策可解释性等问题[29]。因此,在推广 AI 技术时,需要制定严格的伦理准则,并确保系统的透明度和准确性。未来,AI 有望进一步整合到电子健康记录和临床决策支持系统中,为医师提供实时的剂量调整建议,并通过持续学习迭代提高其准确性和可靠性。笔者认为通过更多的随机对照试验验证其长期效果和安全性后,基于 AI 的药物剂量优化工具可在更广泛的临床应用中增强信心[30, 31]。
02
AI 在个体化药物治疗中的应用进展
个体化医疗的核心理念在于根据患者的独特特征来制订治疗方案,而 AI 在这一过程中起到了至关重要的作用。通过对患者的基因组信息、生活方式和疾病历史等多维数据进行综合分析,AI 能够识别出患者的特定需求,并为其定制个性化的治疗方案。
例如,在糖尿病管理中,AI 系统利用持续葡萄糖监测数据推荐胰岛素剂量调整,确保血糖控制优化,降低高血糖和低血糖并发症风险[32, 33]。研究表明,AI 能够通过药物基因组学模型预测类风湿关节炎患者对特定药物(如甲氨蝶呤)的反应,从而优化治疗策略[34]。AI 能够分析复杂数据集,识别新的治疗靶点,为肿瘤患者提供更为精准的治疗方案,并改善诊断和预后。例如,尽管直肠癌具有肿瘤异质性及复杂的遗传和表观遗传特征,但多组学、空间组学与 AI 的结合可以克服这些挑战,推动直肠癌精准医学的发展[35]。AI 还可以根据患者的分子特征推荐最适合的靶向药物,优化癌症患者的治疗效果[36]。这种基于数据驱动的个体化治疗不仅提高了治疗的有效性,还有助于减少不良反应,提升患者的生活质量。AI 在临床试验中的应用也为个体化医疗提供了新的可能性。通过分析大量的临床试验数据,AI 能够预测不同患者对治疗的反应,帮助医师选择最佳的药物治疗策略[37]。例如,在老年医学和肿瘤学等领域,AI 驱动的个体化治疗方案已经显示出良好的应用前景,能够显著提高患者的生存率和生活质量[38]。在某项针对急性缺血性中风患者的研究中,通过分析患者的炎症标志物,研究人员能够预测患者的预后,并据此调整治疗方案,从而提高患者的生存率和功能恢复[39]。
目前,某团队已经基于真实世界用药大数据研发出 iPharma 个体化精准用药系统,实现了个体化用药指导[40]。某医院也开发了个体化精准用药系统,降低了报告差错率和患者对药物不良反应的比例[41]。AI 驱动的智能用药提醒系统则解决了慢病患者规律、准确用药的问题。这种系统通常集成在手机应用程序或智能设备中,能够根据预设的用药计划,按时发送提醒,记录每一次的服药情况,形成完整的用药历史。例如,用药管家作为一款基于 AI 的智能用药管理应用程序,通过智能提醒和服药记录来提高患者的用药依从性,并提供详细的药品使用指导。AI 与可穿戴设备结合可实现对慢性疾病患者的实时监控,及时发现并预警潜在的健康风险。例如,Apple Watch 内置的心电图功能可以帮助心律不齐、房颤等心脏病患者的早期识别和干预。此外,国内医疗机构研发了各类“互联网+AI 慢病管理平台”,基本功能包括患者信息建档、用药教育、线上问诊与随访、智能服药及复诊提醒等[42]。例如,某院开发的基于 MTM 模式的“AI 慢病用药管理系统”通过建立患者用药档案,搭建全市慢病用药管理平台,有助于科学指导基层慢病用药管理。
03
AI 在药物不良反应预警中的应用进展
近年来,通过深度学习、随机森林和支持向量机等机器学习算法,AI 从大量数据中提取信息,识别与药物不良反应相关的模式和特征,在识别和预测药物不良反应方面发挥了重要作用。这些算法有助于构建预测模型,实现药物不良反应自动预警。例如,研究显示 AI 模型通过综合患者病史、基因组数据和用药记录,能预测特定药物潜在不良反应[43]。柯林布瑞的预警平台应用大数据分析技术,构建了一个基于患者体征、疾病、检查结果和用药信息的预测模型,以准确识别导致不良反应的关键特征。
AI 在药物警戒中的应用还涉及利用自然语言处理技术分析电子健康记录、社交媒体等非结构化数据,以增强药物安全事件的早期预警能力。例如,IBM Watson for Drug Safety 通过 AI 评估真实世界数据,识别潜在的药物不良反应指标[44]。AI 技术在药物不良反应监测中的应用还包括自动化编码不良药物反应报告。例如,法国国家药物流行病学网络利用先进的机器学习模型自动预编码不良药物反应报告,提高了药物流行病学专家的工作效率。根据证据,这项技术通过自动编码患者报告中的不良药物反应,帮助药物流行病学专家在卫生危机期间优先处理或加速手动评估。这些模型使用了自然语言处理和机器学习技术,例如词频逆文档频率+轻梯度提升机和跨语言语言模型,在识别不良药物反应和评估严重性方面表现出色。自 2021 年 1 月起,该系统已被法国国家卫生当局部署,以促进 COVID-19 疫苗的药物流行病学监测。这表明该技术不仅在理论上有效,而且已经在实际应用中得到了验证和推广[45]。
AI 能综合多源数据进行分析,提升药物不良反应预测的准确性和速度。例如,美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)的 Sentinel 计划整合了真实世界数据与临床试验数据,并运用 AI 和机器学习算法,为患者疗效和药物安全性提供见解。该计划通过分布式数据网络和分析工具,生成支持 FDA 决策的证据,并利用 AI 技术提高药物警戒程序的效能、精确度和清晰度[46]。该系统还能识别药物相互作用的潜在不良反应,通过分析 FDA 及其他组织的报告数据,开发了一个警报算法,以在药物组合可能导致危险不良效应时警告患者。该系统采用基于 AI 的信息可视化平台,部署去重算法,支持时态数据可视化和可评估算法,极大地促进了评估流程。
哈佛医学院和诺华生物医学研究所的研究人员开发了一种开源机器学习工具,用于预测药物不良反应。该工具通过分析两个数据库——一个涉及药物不良反应,另一个包含特定药物与蛋白质的相互作用信息——发现了 221 个蛋白质与特定不良反应的关联,包括已知和新的关联。这些关联揭示了哪些蛋白质与特定药物不良反应相关,哪些可能无关。例如,研究发现 PDE3 蛋白与约 40 种不良反应的关联,这是首次预测 PDE3 蛋白在多个器官系统中引起不良反应的可能性。此外,算法还支持了先前的观察结果,例如药物与 hERG 蛋白结合可能导致心律失常[47-49]。ZITNIK 等[50]设计了一个名为 Decagon 的 AI 系统,旨在预测药物组合的潜在不良反应。该系统通过研究药物对人体细胞机制的影响,并利用深度学习技术推断药物相互作用产生的不良反应模式,从而预测两种药物联合使用的未知后果。Decagon 系统构建了多模态图,包括蛋白质-蛋白质相互作用、药物-蛋白质靶标相互作用和药物-药物相互作用不良反应,以提高预测准确性。Decagon 系统能够模拟人体内超过 19 000 种蛋白质与药物的相互作用,并结合约 400 万种已知的药物不良反应关联,从而识别出不良反应产生的模式。该系统在预测性能上比基线高出 69%,并且能够做出新颖且后来被证实的预测,例如阿托伐他汀和阿莫匹定的联合使用可能导致肌肉炎症[51, 52]。
展望未来,随着 AI 技术的进步和数据获取方式的多样化,药物不良反应预警系统有望提高准确性和可靠性。未来研究应聚焦于如何整合 AI 模型与临床决策支持系统,提升临床医师的药物使用决策能力,降低不良反应发生率。同时,随着个性化医疗的发展,AI 在药物不良反应预测中的应用将更广泛,为患者提供更安全有效的治疗选择。
04
AI 在智能药物推荐中的应用进展
智能药物推荐系统通过应用机器学习等 AI 技术,分析患者的临床数据、药物特性及其相互作用,向医生和患者提供定制化的药物治疗方案。这些系统能够处理大量的健康数据,包括电子健康记录、基因组数据以及药物反应等信息,从而识别出潜在的最佳治疗方案。例如,AI 系统可以根据患者的个体差异,结合药物相互作用分析,确保药物的安全性,并提供多种药物选择以满足不同患者的需求。此外,AI 还能够根据患者的过往病史和用药数据,构建药物预测模型,从而提高药物推荐的准确率[53]。
AI 在临床辅助诊疗中的应用已经展现出较高的效果。在某省基层医疗机构中,智能药物治疗推荐系统的正确率达到了 85.16%,而在三甲医院应用后,抗菌药物医嘱的合理率从 90.47%提升至 95.35%。这些数据表明 AI 在提高临床处方合理率、减少不合理用药以及提高诊疗水平和效率方面具有重要作用[54]。AI 技术在药物再利用和新用途发现中也发挥了重要作用[55]。通过不断更新和学习,智能药物推荐系统能够适应患者的变化,提供实时的治疗建议,从而优化治疗效果并降低不良反应的风险[56]。例如,通过 AI 分析海量疾病数据,研究人员筛选出可能降低阿尔茨海默病风险的药物,并通过临床验证确认其有效性。AI 还能够通过虚拟筛选和评分方法,加速潜在药物候选物的识别和评估。例如,挪威奥斯陆大学的研究团队开发了一种 AI 辅助的虚拟筛选算法,用于识别有效的线粒体自噬诱导剂,从而维护大脑健康。这种 AI 驱动的虚拟筛选推荐在阿尔茨海默病药物开发中取得了 44%的成功率,远高于传统的成功率[57, 58]。此外,AI 技术还可以通过分析基因组、蛋白质组和代谢组数据,识别潜在的治疗靶点,并预测药物候选物的生物活性、毒性及药代动力学特性,从而优化药物设计[59]。结合电子病历数据,AI 技术能够生成个性化的药物推荐。研究人员利用深度学习模型分析电子病历中的患者数据,提出基于图学习和对比学习的药物推荐模型,有效控制药物相互作用,提高推荐的安全性。例如,AI 可以通过分析患者的基因信息、病史、生活方式和临床数据,预测不同治疗方案的疗效,帮助医师选择最合适的治疗策略[60]。
用户反馈在智能药物推荐系统的优化中起着关键作用。通过收集和分析用户的反馈信息,系统可以不断调整和完善推荐算法,以提高推荐的准确性和有效性。研究显示,用户对药物推荐的满意度与其反馈的积极性密切相关,高度参与的用户更可能遵循推荐的药物方案,从而提高治疗成功率。利用机器学习技术,系统能够从用户的反馈中学习,识别出哪些推荐更受欢迎,哪些则需要改进。这种动态调整机制使得智能药物推荐系统能够不断进化,以适应不同患者的需求和偏好[61]。通过这种方式,系统不仅能够提高用户的依从性,还能增强患者的信任感,从而在临床实践中发挥更大的作用[62]。
尽管 AI 在智能药物推荐中取得了显著进展,但仍面临一些挑战,如数据质量和计算资源的需求、模型的可解释性以及隐私保护问题。未来的发展需要进一步优化算法模型,扩大数据协作能力,并结合更多患者的特征(如年龄、地域等)来提高推荐的准确性和安全性。
05
展望
AI 在精准用药领域的应用日益广泛,为提升医疗质量和安全性提供了新的可能性。通过对大量患者数据的分析,AI 技术能够有效识别患者的个体差异,从而实现更为精准的治疗方案。这种精准化的医疗模式不仅有助于提高治疗效果,还能降低不良反应,最终促进患者的整体健康水平。
综述中,我们看到不同研究在 AI 应用于精准用药方面的观点与发现存在一定差异。有些研究强调机器学习和数据挖掘技术在药物选择和疗效预测上的优越性,而另一些研究则提出了 AI 在数据安全性、隐私保护和伦理问题上的挑战。这些不同的视角反映了 AI 技术在医学应用中的复杂性,也提醒我们在推动其发展的同时,必须对潜在的风险保持警惕。
未来的研究方向应着重于建立更加完善的 AI 系统,以整合多源数据(如基因组信息、临床数据与生活习惯)来提升精准用药的可靠性。此外,跨学科合作将是推动 AI 在医疗领域广泛应用的关键。医学、计算机科学、伦理学等领域的专家需要共同努力,确保 AI 技术的应用不仅满足临床需求,也兼顾患者的权益和社会责任。
总之,AI 在精准用药中的应用前景广阔,但我们需要在技术进步与医学伦理考量之间找到平衡,以推动未来医疗的可持续发展。只有通过科学的验证和合理的监管,才能确保 AI 在医疗领域的应用既能提升效益,又能维护患者的安全与隐私。
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来源 | 解放军药学学报