MVCASyn:基于多视图学习和交叉注意力机制预测协同药物组合
MVCASyn: Predicting Synergistic Drug Combinations Based on Multi-View Learning and Cross-Attention Mechanism
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摘要:研究背景 癌症是全球过早导致人类死亡的主要原因之一。尽管已经开发出各种治疗方案,但由多种生物因素引起的肿瘤耐药现象严重降低了单一药物治疗方法的效果。因此,联合用药被认为是克服这种局限性的有效手段。联合用药不仅增强了对抗耐药性的能力,还减轻了单一药物的潜在毒性。然而,传统的药物组合发现方法通常需要严格的设计、专业的知识以及大量的资金和时间投入,导致药物开发效率低下。虽然高通量筛选技术提高了有效药物组合的识别率,但大量可能的药物相互作用带来了巨大的挑战。因此,迫切需要新的策略来促进有效药物组合的发现。计算方法简化了这一过程,并且能够识别出最具希望的候选药物以供后续测试。人工智能技术的出现和发展,协同药物组合数据集的不断增加和机器学习(尤其是深度学习)的日益普及,促进了抗癌药物组合的有效预测。目的 目前许多方法将组合中的药物视为孤立的实体并独立得出其特征,从而忽略了各种药物成分之间的重要相互作用。此外,虽然使用多源数据可以丰富特征层次,但大多数方法仅利用细胞系的基因表达数据,而未能利用其他生物数据源提供的互补见解。我们的研究目标旨在开发一个新的用于协同药物组合预测的深度学习模型解决上述问题,从而提升协同药物组合预测的准确性。方法 本文提出了一个专门为预测协同药物组合而设计的深度学习框架MVCASyn。MVCASyn采用双视图表示学习模块来有效地获得各个级别的原子相互作用模式。为了获得高质量的药物嵌入,MVCASyn将基于多策略的注意力池算子与基于卷积神经网络的读出模块相结合。此外,我们使用交叉注意力机制融合细胞系基因表达数据和细胞系拷贝数数据,以利用它们之间的互补性。结果 本文在O'Neil数据集上对所提出的模型与所有基线进行了比较,实验结果表明MVCASyn在五个性能指标上表现良好,在ACC、AUPR和Kappa系数三种性能指标上,MVCASyn比第二好的方法分别高1%、1%和2%,凸显了其竞争优势并验证了其在预测协同药物组合方面的有效性。消融实验证明了捕获药物组合之间原子相互作用模式和多组学数据互补性的有效性。此外,药物原子重要性评分的可视化结果证明了MVCASyn识别关键子结构的能力。案例研究进一步说明了MVCASyn在发现潜在协同药物组合方面的出色能力。结论 针对药物组合中药物之间原子相互作用模式以及细胞系多组学数据未能有效利用的问题,本文提出了基于多视图学习和交叉注意力机制的协同药物组合预测模型。模型通过双视图表示学习模块捕获药物组合中原子之间的复杂相互作用模式,并采用交叉注意力机制获取来自细胞系的多组学数据的互补性。实验结果证明该模型能够作为发现潜在协同药物组合的有力工具。Abstract: The increase in cancer drug resistance poses an enormous challenge in implementing effective therapeutic interventions. Combination therapy has emerged as an effective method to combat this resistance, but traditional methods for identifying viable drug combinations are often cumbersome and resource intensive. Recently, computational models have been developed to simplify the prediction of viable drug combinations, thereby improving the efficiency of this field of research. However, many existing models treat drug combinations independently, ignoring the crucial interaction dynamics between them. Moreover, these models fail to exploit the complementary insights provided by cell line multiomics data. In this work, we propose MVCASyn, an innovative deep learning model that predicts synergistic drug combinations. Compared with existing models, MVCASyn combines a dual-view representation learning module to precisely extract the multilevel features of atomic interactions, and adopts a cross-attention mechanism to fuse cell line multiomics data. Our experimental results show that MVCASyn consistently outperforms the current advanced models across all the evaluation metrics. Visualization experiments of drug atomic importance scores further emphasize the ability of MVCASyn to identify key drug substructures. A case study experiment also confirms that MVCASyn is effective in practical applications. The code of MVCASyn is publicly accessible at https://doi.org/10.57760/sciencedb.31476.
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