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数据分析与知识发现
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基于图神经网络的抗结核杆菌药物虚拟筛选模型的建立及应用
顾耀文,郑思,杨丰春,李姣
(中国医学科学院/北京协和医学院医学信息研究所 北京 100020)
GNN-MTB: An Anti-Mycobacterium Drug Virtual Screening Method based on Graph Neural Network
Gu Yaowen,Zheng Si,Li Jiao
(Institute of Medical Information, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100020,China)
全文:
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

[目的] 构建和比较抗结核杆菌药物虚拟筛选模型,助力抗结核药物的研发。

[方法]本研究提出一种基于课程式学习优化的图神经网络模型GNN-MTB,用于抗结核杆菌抑制剂的虚拟筛选。进一步,从开放数据库中收集整理抗结核杆菌药物筛选相关基准数据集,将GNN-MTB与四种常规机器学习模型和两种图神经网络模型在基准数据集上进行性能比较。

[结果] 在包含10,789条抗结核杆菌药物虚拟筛选实验数据中的分析结果显示,GNN-MTB模型的预测性能(AUC:0.912, AUPR: 0.679)优于传统的机器学习模型和图神经网络模型的性能表现(平均AUC:0.878-0.900,平均AUPR:0.600-0.673),平均AUC和AUPR的最大提升幅度达3.87%和13.17%。同时,本研究开源GNN-MTB模型并构建了抗结核杆菌药物虚拟筛选预测工具以供广大抗结核杆菌药物研究者使用(https://github.com/gu-yaowen/GNN-MTB)。

[局限] 抗结核杆菌药物虚拟筛选模型建模可进一步纳入药物敏感性和菌株耐药性相关分析。

[结论] 本研究提出的抗结核杆菌药物虚拟筛选模型GNN-MTB取得了良好性能,可进一步探索将其应用于抗结核病药物研发。同时,本研究框架也可为其它疾病药物的虚拟筛选提供参考。


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关键词 图神经网络课程式学习结核杆菌虚拟筛选     
Abstract

[Objective] This study aims to construct an anti-tuberculosis drug virtual screening model for the research and development of anti-tuberculosis drugs.

[Methods] We proposed a curriculum learning-optimized graph neural network model for anti-tuberculosis inhibitors virtual screening, which called GNN-MTB. Furthermore, a benchmark dataset for anti-tuberculosis drugs was collected from the public database, then we compared the performance of GNN-MTB with four classic machine learning models and two graph neural network models on the benchmark dataset.

[Results] We collected and integrated 10,789 available anti-tuberculosis drug screening experimental data as our benchmark dataset. Our proposed GNN-MTB model achieved the area under the receiver operating characteristic curve (AUC) score of 0.912 and the area under precision-recall curve (AUPR) score of 0.679, which were higher than machine learning and graph neural network models. The maximum improvement of our proposed method in average AUC and average Precision are 3.87% and 13.17%. Moreover, we open-resourced the GNN-MTB and an anti-tuberculosis drug virtual screening tool for the use of anti-tuberculosis drug researchers (https://github.com/gu-yaowen/GNN-MTB).

[Limitations] The modeling of virtual screening model for anti-tuberculosis can be further integrated the analysis of drug sensitivity and bacterial resistance.

[Conclusions] The GNN-MTB proposed in our study achieved considerable performance in the anti-tuberculosis inhibitor predictions, which can be applied to the process of anti-tuberculosis drug screening. Furthermore, this method can also provide support for the construction of other disease/target-specific drug virtual screening models.


Key words Graph Neural Network    Curriculum Learning    Mycobacterium Tuberculosis    Virtual Screening
     出版日期: 2022-07-13
ZTFLH:  R961  
  P315.69  
引用本文:   
顾耀文, 郑思, 杨丰春, 李姣. 基于图神经网络的抗结核杆菌药物虚拟筛选模型的建立及应用 [J]. 数据分析与知识发现, 10.11925/infotech.2096-3467.2022-0196.
Gu Yaowen, Zheng Si, Li Jiao. GNN-MTB: An Anti-Mycobacterium Drug Virtual Screening Method based on Graph Neural Network . Data Analysis and Knowledge Discovery, 0, (): 1-.
链接本文:  
https://manu44.magtech.com.cn/Jwk_infotech_wk3/CN/10.11925/infotech.2096-3467.2022-0196      或      https://manu44.magtech.com.cn/Jwk_infotech_wk3/CN/Y0/V/I/1
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