1. ΢ΥΕΔΙΑ΢Η ΦΑΡΜΑΚΩΝ ΜΕ ΥΡΗ΢Η
ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΜΗΥΑΝΙΚΗ΢ ΜΑΘΗ΢Η΢
Μεραληθή Μάζεζε
Παπαβαζηιείνπ Αλαζηαζία ΑΕΜ 402
Δειεγηαλλάθνπ Αγαζνλίθε ΑΕΜ 390

2. ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΑ
11/6/2012
 Δηζαγσγή
 Αλαθάιπςε θαη ΢ρεδηαζκόο Φαξκάθσλ
 Μεραληθή Μάζεζε
 Γέλδξα Απόθαζεο
 Αλαβιεηηθή Μάζεζε – kNN
 Μάζεζε θαηά Bayes
 Μεραλέο Γηαλπζκάησλ Τπνζηήξημεο – SVMs
 Δθαξκνγέο
 Μειινληηθέο Καηεπζύλζεηο
2

3. ΔΙ΢ΑΓΧΓΗ
11/6/2012
 Η αλαθάιπςε θαξκάθσλ είλαη κηα από ηηο πην
πνιύπινθεο, ρξνλνβόξεο θαη αθξηβέο δηαδηθαζίεο.
 Σα ηειεπηαία ρξόληα έρεη γίλεη δξακαηηθή πξόνδνο
ζηε βαζηζκέλε-ζηνλ-ππνινγηζηή αλαθάιπςε
θαξκάθσλ, κέζνδνο απνδνηηθή θαη κε ρακειόηεξν
θόζηνο.
 Απηό ζπκβαίλεη εμαηηίαο ηεο πξνόδνπ ζηελ αλάιπζε
ησλ βηνινγηθώλ θαη ρεκηθώλ δεδνκέλσλ κε ηε
ρξήζε ησλ κνληέξλσλ ηερληθώλ ΜΜ.
Γηα παξάδεηγκα, νη αιγόξηζκνη ηαμηλόκεζεο ρξεζηκνπνηνύληαη ζπρλά γηα λα
ηαπηνπνηήζνπλ ελεξγέο θαη κε-ελεξγέο ελώζεηο, ελώ νη πξνζεγγίζεηο
παιηλδξόκεζεο εθαξκόδνληαη ζηελ εθπαίδεπζε θαη ηελ πξόβιεςε ζπλερώλ
δεδνκέλσλ. 3

4. ΑΝΑΚΑΛΤΦΗ & ΢ΥΔΓΙΑ΢ΜΟ΢ ΦΑΡΜΑΚΧΝ
Αλαθάιπςε
11/6/2012
έλσζεο νδεγνύ
-γνλίδην
-πξσηεΐλε
-ρεκηθή έλσζε
΢ύλζεζε έλσζεο
νδεγνύ
-αλάιπζε δνκήο-δξάζεο
-κνξηαθή αλάιπζε
Αλάιπζε Υαξαθηεξηζκόο
-ραξαθηεξηζηηθά
-θπζηθν-ρεκηθέο
ηδηόηεηεο
Έιεγρνο
-βηνινγηθή δξάζε
-Σνμηθόηεηα
-κεηαιιαμηνγέλεζε
4
Παξαγσγή -ρεκηθή αλάιπζε
θαξκάθνπ -ηνμηθόηεηα

5. ΜΗΥΑΝΙΚΗ ΜΑΘΗ΢Η
 Απόζπαζε πιεξνθνξηώλ από πεηξακαηηθά δεδνκέλα από ηηο ππνινγηζηηθέο θαη
ζηαηηζηηθέο κεζόδνπο .
 Γεκηνπξγία ελόο ζπλόινπ θαλόλσλ, ιεηηνπξγηώλ ή δηαδηθαζηώλ πνπ ηνπο
11/6/2012
επηηξέπνπλ λα πξνβιέπνπλ ηηο ηδηόηεηεο ησλ λέσλ αληηθεηκέλσλ πνπ δελ
πεξηιακβάλνληαη ζην ζύλνιν εθπαίδεπζεο.
 ΢ην ζρεδηαζκό ηωλ θαξκάθωλ ν ζηόρνο είλαη λα κάζνπλ πωο ε ρεκηθή
δνκή θαζνξίδεη θάπνηα ζεκαληηθή ηδηόηεηα ηωλ θαξκάθωλ, όπωο:
- θπζηθν-ρεκηθέο ηδηόηεηεο (δηαιπηόηεηα ζην λεξό)
- βηνινγηθή δξάζε (αλαζηνιή ελδύκσλ)
- κεηαβνιηζκόο
- ηνμηθόηεηα
- κεηαιιαμηνγέλεζε
 Κάζε κόξην ζρεηίδεηαη κε έλα ζύλνιν πεξηγξαθέσλ δνκήο θαη κία πεηξακαηηθή
ηδηόηεηά ηνπ.
 Οη πεξηγξαθείο δνκήο ρξεζηκνπνηνύληαη σο είζνδν (input) ζε έλαλ αιγόξηζκν
κεραληθήο κάζεζεο θαη είλαη ραξαθηεξηζηηθό ηεο ρεκηθήο δνκήο.
 Σν πείξακα είλαη ν ζηόρνο (output) ηνπ κνληέινπ θαη κπνξεί λα είλαη κηα εηηθέηα
θιάζεο (1 / - 1), όπσο δηαιπηό / κε δηαιπηό, αλαζηνιέαο / κε-
αλαζηνιέαο, ππνθαηάζηαην / κε-ππνθαηάζηαην, ηνμηθό / κε-
ηνμηθό, κεηαιιαμηνγόλν / κε- κεηαιιαμηνγόλν ή θαξθηλνγόλν/κε-θαξθηλνγόλν. 5

6. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [1/3]
Δέλδξα Απόθαζεο
 Παξάγεη κηα ζεηξά από θαλόλεο κε βάζε ηνλ δηαρσξηζκό ησλ ελώζεσλ.
 Ο δηαρσξηζκόο βαζίδεηαη ζε 2 ππννκάδεο
11/6/2012
 Οη ππννκάδεο δεκηνπξγνύληαη κε βάζε επηιεγκέλνπο πεξηγξαθείο δνκήο ησλ ελώζεσλ.
- 1ε ππννκάδα: αμία κηθξόηεξε από ην όξην ηνπ πεξηγξαθέα πνπ θαζνξίδεηαη,
- 2ε ππννκάδα: αμία κεγαιύηεξε από ην ζπγθεθξηκέλν όξην.
 Ο πεξηγξαθέαο θαη ην όξην επηιέγνληαη έηζη ώζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ε δηαθνξά ζηελ
εληξνπία, ε νπνία κεγηζηνπνηεί ην δηαρσξηζκό ησλ ελώζεσλ αλάινγα κε ηελ θιάζε ηνπο.
 Η δηαδηθαζία επαλαιακβάλεηαη κέρξη ν θαηάιιεινο δηαρσξηζκόο ζε ηάμεηο λα
πξαγκαηνπνηεζεί γηα όιεο ηηο ελώζεηο.
Παξάδεηγκα (a)
 Σαμηλόκεζε ρεκηθώλ ηύπσλ(όπσο θαηλόιεο) κε ρξήζε ηνπ C4.5 δέληξνπ απόθαζεο
 ΢ύλνιν δεδνκέλσλ: 190 ελώζεηο (76 πνιηθέο (θαηεγνξία 1) θαη 114 κε πνιηθέο(θαηεγνξία
2))
 logΚow =>πεξηγξαθέαο δνκήο(ζπκκεηνρή ησλ νθηαλίσλ λεξνύ)
 Ehomo => κέγηζηε ελέξγεηα κνξηαθώλ ηξνρώλ
 Elumo => ειάρηζηε ελέξγεηα κνξηαθώλ ηξνρώλ
 Q- => αξλεηηθή κεξηθή θόξηηζε ζε κε-πδξνγόλν άηνκν κνξίνπ
 Q+ => ζεηηθή κεξηθή θόξηηζε ζε πδξνγόλν άηνκν
6

7. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [2/3]
Δέλδξα Απόθαζεο
11/6/2012
7

8. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [3/3]
Δέλδξα Απόθαζεο
11/6/2012
Παξάδεηγκα (b)
 Σνμηθόηεηα ησλ θαηλνιώλ ζηελ ρεκηθή αλάιπζε ηεο
Tetrahymena pyriformis -
πνιηθά θάξκαθα (θαηεγνξία 1),κνλνκεξή νμεηδσηηθά
(θαηεγνξία 2),πξν-ειεθηξόθηια (θαηεγνξία 3) θαη κεξηθώο
ειεθηξόθηια(θαηεγνξία 4).
 220 ρεκηθέο νπζίεο θαη 7 πεξηγξαθείο δνκήο
 logΚow , Ehomo , Elumo , D_C-maxE , D_C-avN
, N_Hdon θαη N_Hacc
 Ο logKow δελ έρεη επηιεγεί σο θαλόλαο δηαρσξηζκνύ, ελώ
ν Ehomo θαη ν N_Hacc επηιέγνληαη ζε δύν θαλόλεο ην
θαζέλα. 8

9. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [1/2]
Αλαβιεηηθή Μάζεζε - kNN
11/6/2012
 Μέζνδνο κάζεζεο πνπ απνζεθεύεη ζηε κλήκε ην
ζύλνιν ησλ αληηθεηκέλσλ ηεο εθπαίδεπζεο.
 Τπνινγίδεηαη έλα κνληέιν παξεκβνιήο βαζηζκέλν
ζηε γεηηνληά ηνπ αληηθεηκέλνπ πξόβιεςεο .
 Αιγόρηζκος θ-πιεσηέστερωλ γεητόλωλ βασίδεταη :
- ρώξν πεξηγξαθέα (ζύλνιν πεξηγξαθέσλ πνπ
αμηνινγείηαη ζε κηα κειέηε ή ζε έλα ππνζύλνιν πνπ
δίλεη θαιύηεξεο πξνβιέςεηο)
- απόζηαζε
- γεηηνληά θ ηνπ αληηθεηκέλνπ πξόβιεςεο.
9

10. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [2/2]
Αλαβιεηηθή Μάζεζε - kNN
11/6/2012
 Σαμηλόκεζε θ-θνληηλόηεξωλ γεηηόλωλ (a)
- Πξνζδηνξηζκόο θνληηλόηεξνπ γείηνλα.
- Η θαηεγνξία πνπ αλήθεη ην αληηθείκελν πξόβιεςεο είλαη ε θαηεγνξία κε ηελ
πιεηνςεθία ησλ γεηηόλσλ ηνπ ε -1 αλ θ=3, θαη ε + 1 αλ θ=5
- Η βέιηηζηε ηηκή ηνπ θ θαζνξίδεηαη ζπλήζσο από ηε δηαζηαύξσζε (cross-
validation).
 Παιηλδξόκεζε θ-θνληηλόηεξωλ γεηηόλωλ (b)
- Κάζε αληηθείκελν εθπαίδεπζεο έρεη γηα ηδηόηεηα έλαλ πξαγκαηηθό αξηζκό
- Η πξνβιεπόκελε ηδηόηεηα γηα ην άγλσζην αληηθείκελν είλαη ν κέζνο όξνο ηεο
αμίαο ηεο ηδηόηεηαο γηα k θνληηλόηεξνπο γείηνλέο ηνπ
- Η πξνβιεπόκελε ηηκή γηα ην θ=3 είλαη (6+6+7) / 3 = 6.3, ελώ ε πξόβιεςε γηα θ=5
10
είλαη 5.6.

11. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [3/4]
11/6/2012
Μάζεζε θαηά Bayes
 Αλ θαη εθαξκόζηεθε πνιύ πξόζθαηα ζηε ζρεδίαζε
θαξκάθσλ, έρεη αξθεηά ραξαθηεξηζηηθά πνπ ηελ θαζηζηνύλ
ηδηαίηεξα ρξήζηκε.
 Οη ηαμηλνκεηέο Bayes δίλνπλ αλεμάξηεηεο πξνβιέςεηο, αλέρνληαη
ην ζόξπβν θαη ηα ιάζε ζηα πεηξακαηηθά δεδνκέλα θαη κπνξνύλ λα
«ηξέμνπλ» γξήγνξα ζε ζρέζε κε άιινπο αιγνξίζκνπο ΜΜ.

 Αμηνινγνύλ κηα νκάδα πεξηγξαθέσλ δνκώλ, γηα λα πξνβιέςνπλ
ηε δξαζηεξηόηεηα κηαο ρεκηθήο νπζίαο, βαζηζκέλνη ζηνπο
γλσζηνύο πεξηγξαθείο θαη ηηο δξαζηεξηόηεηεο ηνπ ζπλόινπ ησλ
δεδνκέλσλ εθπαίδεπζεο
 Η εηθνληθή νπηηθνπνίεζε ησλ κεγάισλ ρεκηθώλ βηβιηνζεθώλ είλαη
κηα ηεξάζηηα εθαξκνγή ησλ ηαμηλνκεηώλ Bayes, θπξίσο εμαηηίαο 11
ηεο αλνρήο ηνπο ζην ζόξπβν ησλ πεηξακαηηθώλ δεδνκέλσλ

12. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΜ [4/4]
11/6/2012
Μεραλέο Δηαλπζκάηωλ Τπνζηήξημεο - SVMs
 Η ηδέα πίζσ από ηα SVM είλαη όηη δνζκέλεο κηαο ζεηξάο ππνζέζεσλ
απμαλόκελεο πνιππινθόηεηαο, επηιέγνπλ απηή πνπ ειαρηζηνπνηεί ην
ζθάικα εθπαίδεπζεο θαη ηαπηόρξνλα απηή πνπ ειαρηζηνπνηεί έλα
αλώηαην όξην ζθάικαηνο γελίθεπζεο.
 Απηό ην πεηπραίλνπλ ειέγρνληαο ην κέγεζνο ησλ
βαξώλ ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ.
 Δίλαη κηα κέζνδνο ΜΜ γηα δπαδηθά πξνβιήκαηα
ηαμηλόκεζεο, κε εύθνιε εθπαίδεπζε, θαιή απόδνζε
θαη ρακειό θόζηνο.
 Πξνβάιινπλ ηα ζεκεία ηνπ ζπλόινπ εθπαίδεπζεο ζε
έλαλ ρώξν πεξηζζνηέξσλ δηαζηάζεσλ θαη βξίζθνπλ ην
ππεξεπίπεδν ην νπνίν δηαρσξίδεη βέιηηζηα ηα ζεκεία
ησλ δύν ηάμεσλ. Σα άγλσζηα ζεκεία ηαμηλνκνύληαη
ζύκθσλα κε ηελ πιεπξά ηνπ ππεξεπίπεδνπ ζηελ νπνία
βξίζθνληαη.
 Σα δηαλύζκαηα ηα νπνία νξίδνπλ ην ππεξεπίπεδν ην νπνίν ρσξίδεη ηηο δύν 12
ηάμεηο νλνκάδνληαη δηαλύζκαηα ππνζηήξημεο (support vectors).
 Βξήθε γξήγνξα πνιιέο εθαξκνγέο ζηε ρεκεία, ηε βηνρεκεία θαη
Φαξκαθνρεκεία.

13. ΔΦΑΡΜΟΓΔ΢
11/6/2012
 Η πξσηνβνπιία WISDOM (World-wide In Silico Docking on Malaria) ζπλδξάκεη
ζηελ θαηαπνιέκεζε αζζελεηώλ, θαζνξίδνληαο πόζν θαιά θάπνηα θάξκαθα
επηθνιιώληαη ζε ζπγθεθξηκέλα κέξε ηνπ ηνύ (καιάξηα, γξίπε ησλ πηελώλ)
wisdom.healthgrid.org
 Σν GridGRAMM απνηειεί κηα απιή δηεπαθή γηα κνξηαθό ειιηκεληζκό ζην
δηαδίθηπν, πνπ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα κειέηε ηεο αιιειεπίδξαζεο ησλ
κνξίσλ, ώζηε λα νδεγήζεη ζε ζρεδηαζκό θαξκάθσλ θαη θαηαλόεζε ηεο
ζπκπεξηθνξάο λνζεξώλ κεηαιιάμεσλ
http://www.es.embnet.org/Services/MolBio/WebGRAMM/
 ΢ηόρνο ηνπ GROCK (Grid Dock) είλαη λα παξέρεη έλαλ εύθνιν ηξόπν δηεμαγσγήο
ηεο καδηθήο ζπκπεξηθνξάο κνξηαθώλ αιιειεπηδξάζεσλ κέζσ ηνπ δηαδηθηύνπ
επηηξέπνληαο ζηνπο ρξήζηεο λα ζπγθξίλνπλ έλα κόξην απέλαληη ζε κηα νιόθιεξε
βάζε πιεξνθνξηώλ άιισλ γλσζηώλ δνκώλ.
 Σν έξγν Virtual Laboratory αζρνιείηαη κε ηελ έξεπλα, ην ζρεδηαζκό θαη ηελ
αλάπηπμε ηερλνινγηώλ πιέγκαηνο, πνπ βνεζνύλ ζηελ επίιπζε κεγάιεο θιίκαθαο
ππνινγηζκώλ θαη ζηελ εληαηηθή επεμεξγαζία κνξηαθώλ δεδνκέλσλ
http://www.buyya.com/vlab/
13
 To Torsade de point (TdP) είλαη κηα δπζκελήο αληίδξαζε ζηα θάξκαθα, κηα άηππε
θνηιηαθή ηαρπθαξδία. Η ΜΜ βνεζά ζηελ αλαγλώξηζε ησλ θαξκάθσλ πνπ
πεξηέρνπλ TdP από απηά πνπ δελ πεξηέρνπλ

14. ΜΔΛΛΟΝΣΙΚΔ΢ ΚΑΣΔΤΘΤΝ΢ΔΙ΢
11/6/2012
 Οη πξόζθαηεο δεκνζηεύζεηο εμεξεπλνύλ κηα πνιύ κεγαιύηεξε πνηθηιία
ζηαηηζηηθώλ κνληέισλ κε ηελ πξόζεζε λα βνεζήζνπλ ηε δηαδηθαζία
αλαθάιπςεο θαξκάθσλ κε αμηόπηζηεο πξνβιέςεηο.
 Φαίλεηαη πσο δελ είλαη δπλαηόλ λα πξνβιεθζεί πνηνο ζπλδπαζκόο
πεξηγξαθέσλ θαη ΜΜ ζα δώζεη ηηο πην αμηόπηζηεο πξνβιέςεηο γηα
θαηλνηόκεο ρεκηθέο νπζίεο.
 Έηζη, ζα πξέπεη λα γίλεηαη ζύγθξηζε πνιιώλ ηύπσλ πεξηγξαθέσλ θαη
ηόζσλ αιγνξίζκσλ ΜΜ όζσλ είλαη ππνινγηζηηθά δπλαηόλ,
 Να ππάξρεη θαιό πιάλν γηα ηα πεηξάκαηα, κε θαηάιιειε επηθύξσζε, θαη
 Μηα αληηθεηκεληθή θαη θαηαλνεηή αμηνιόγεζε ησλ αιγνξίζκσλ ΜΜ.
 Δμαηηίαο ηεο πνιππινθόηεηαο ησλ βηνινγηθώλ ζπζηεκάησλ, νη κέζνδνη
ΜΜ ζα είλαη απαξαίηεηεο γηα ηε κειινληηθή αλαθάιπςε θαξκάθσλ.
΢πγθεθξηκέλα, νη κέζνδνη κεραληθήο όξαζεο πνπ εμάγνπλ ιεπηνκεξείο
πιεξνθνξίεο από απεηθνληζηηθέο αλαιύζεηο, θαη νη κέζνδνη ελεξγνύο
κάζεζεο πνπ θαζνδεγνύλ ηνλ πεηξακαηηζκό, ζα είλαη αλαγθαίεο γηα λα
μεπεξαζηεί ην πξόβιεκα ηεο δηαζηαηηθόηεηαο ζηελ αλάπηπμε θαξκάθσλ.
14

15. 3D ΕΝΣΤΠΗ ΜΟΡΦΗ ΜΟΝΣΕΛΟΤ ΕΝΟ΢ ΜΟΡΙΟΤ Ο ζρεδηαζκόο θαξκάθωλ
είλαη έλα επηζηεκνληθό
πξόβιεκα ηόζν ζεκαληηθό
ώζηε νη εξεπλεηέο είλαη
πξόζπκνη λα αλαπηύμνπλ
νπνηαδήπνηε πξνζέγγηζε
δεκηνπξγηθήο επίιπζεο
11/6/2012
πξνβιεκάηωλ, ζπκπεξηιακ
βαλνκέλεο θαη ηερλνινγίαο-
θιηζέ όπωο gamification
θαη επαπμεκέλε
πξαγκαηηθόηεηα. Η
ηειεπηαία πξνζέγγηζε είλαη
ε ρξήζε 3D εθηππωηώλ γηα
ηελ εμαγωγή κνληέιωλ ηωλ
θαξκάθωλ θαη ελδύκωλ, θαη
ε απόδνζε ζε απηά
εηηθεηώλ επαπμεκέλεο
πξαγκαηηθόηεηαο, έηζη
ώζηε ε ππνινγηζηηθή
όξαζε λα βνεζήζεη ηνπο
εξεπλεηέο λα βξνπλ ηε
βέιηηζηε εθαξκνγή.
15

16. 11/6/2012
΢Α΢ ΕΤΥΑΡΙ΢ΣΟΤΜΕ ΓΙΑ ΣΗΝ
ΠΡΟ΢ΟΥΗ ΢Α΢!
16