今天给大家介绍来自华中农业大学信息学院章文教授课题组在Bioinformatics上发表的一篇关于预测药物与药物相互作用事件的文章。作者提出了一个多模态深度学习框架— DDIMDL。它将不同的药物特征与深度学习相结合，建立了一个预测药物相互作用相关事件的模型。DDIMDL首先分别利用四种药物特征:化学子结构、靶点、酶和通道，构建基于深度神经网络的子模型，然后采用联合DNN框架组合子模型，学习药物-药物对的跨模态表征，预测药物与药物相互作用（DDI, drug–drug interactions ）。
引言
许多基于机器学习的DDI预测方法已经被提出，大致分为四类:基于相似度的方法、基于网络的方法、基于矩阵分解的方法和基于集成学习的方法。一般来说，现有的方法是为了预测两种药物是否相互作用，并且对更好的理解DDI做出了很大的贡献。然而，DDIs可以导致不同的生物学后果或事件。预测与DDI相关的事件是一项有意义和具有挑战性的任务，并受到了一定的关注。Herrero-Zazo等人(2013)为生物医学文本中的DDIs构建了一个手工注释的语料库。他们从DrugBank和MedLine收集了DDI，并将DDI关系注释为四种类型:机制(药代动力学机制)、效果(药效学机制)、建议(不同时服用这两种药物)和int(未提供进一步信息)。Ryu等人(2018)将从药库中收集到的生物事件分类为86种类型，建立基于药物化学子结构的深度学习模型进行预测DDI事件。随后，Lee等人(2019)直接将三个特征合并为DNN的输入，建立预测模型。
虽然上述工作在事件预测方面做出了重要的努力，但仍有改进的空间。首先，DrugBank是一个可靠的数据源，对DDIs的描述具有统一的语法，因此我们可以通过标准描述提取DDI事件并进行进一步的研究。第二，药库具有多种药物特征。第三，特征之间存在冗余，如何有效的将不同的特征组合在一起是一个挑战。
为了解决上述问题，作者提出了一种名为DDIMDL的计算方法，该方法结合多种药物特征和深度学习来预测DDI事件。作者定义了一个标准方案来分析药库的DDI事件，并选择65种主要事件进行分析。此外，作者还收集了药物的四个特征:化学亚结构、靶标、酶和建模途径。在DDIMDL中，利用每种药物特征构造四个子模型，并利用联合DNN框架将子模型组合起来，学习药物-药物对的交叉模态表示。最后，作者利用学习到的交叉模态表征预测与DDI相关的事件。
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数据集
DrugBank是一个能提供12151种药物的综合信息的资源，包括3,844种FDA批准的药物和5867种实验药物。在这项研究中，作者从DrugBank中收集了DDIs以及药物的四个特征:化学子结构、靶标、通道和酶。在我们从DrugBank获得一种药物的通道(KEGG ID)后，我们可以使用KEGG数据库将KEGG ID转换为相应的药物通路信息。药物的靶标和酶直接从数据库中获取。
为了更好地理解DDI事件，我们将DDI事件的表示定义为四元结构:(药物A、药物B、机制、动作)，其中“机制”指的是药物在代谢、血清浓度、疗效等方面的作用。“动作”表示词元化后的增减。由于预先训练的模型没有在生物医学文本上进行训练，因此它无法为一些专业药物的名称安排合适的词性，因此将所有药物名称列出，进行识别。
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DDIMDL方法概述
DDIMDL方法如下图所示。首先，作者使用四种类型的药物特征来计算药物-药物的相似性，并使用它们作为药物的表征。在多层神经网络的基础上，将药物的表示分别输入子模型。然后，作者结合子模型来学习药物-药物对的交叉模态表示，并用所学的交叉模态表示来预测DDI事件。下面介绍了DDIMDL的关键组件。
3.1特征抽象模块
如前面所讲，我们有药物的四个特征:化学亚结构、靶点、酶和通道，这些特征带来了药物的不同信息。每个特征对应一组描述符，因此药物可以用一个二元特征向量表示，其值为(1或0)表示对应描述符的存在或不存在。这些特征向量具有高维数，且多数维数为0，从而要对特征进行了压缩，降低了稀疏性。采用Jaccard相似度度量方法，从位向量中计算药物的双向相似度，而不是使用位向量作为输入。Jaccard相似度计算公式如下：
3.2DDIMDL的构建与模型优化
由于我们有多个特征，我们使用深度神经网络(DNN)根据每个特征构造子模型。深度神经网络(DNN)是一种在输入层和输出层之间具有多层结构的人工神经网络。无论是线性关系还是非线性关系，DNN都能找到正确的数学操作，将输入转化为输出。子模型网络的设计受到瓶颈类神经网络VGG16的启发。通过使用瓶颈特征，我们可以减少需要训练的参数的数量。
不同子模型的组合对于DDIMDL很重要。我们根据不同的特征构造子模型，然后将子模型结合起来构建预测模型。采用交叉熵作为损失函数，对DDIMDL模型进行了经验训练和优化。使用早期停止策略，如果在10个epoch内没有观察到任何改进，则自动停止训练。
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实验和结果
4.1评价标准
在DDI预测中，研究者通常关注三个任务。第一种是预测未知的已知药物之间的相互作用，第二种是预测已知药物和新药之间的相互作用，第三种是预测新药之间的相互作用。对于任务1，我们对DDIs应用5倍交叉验证(5-CV)，并将所有DDIs分成5个子集。作者基于训练集中的DDIs来训练模型，然后对测试集中的DDIs进行预测。对于task 2和task 3，作者将5-CV用于药物而不是DDI对。作者将药物随机分成五组，其中四组作为训练药物，其余的作为测试药物。对于task 2，我们在训练药物之间的DDIs上建立预测模型，然后对训练药物和测试药物之间的DDIs进行预测。任务3在训练药物之间的DDIs上建立预测模型，然后对测试药物之间的DDIs进行预测。为了评估,使用准确率(ACC)、AUPR、ROC曲线下面积(AUC)、F1评分和Precision作为评价指标。作者对AUPR和AUC使用微观度量，而对其他的使用宏观度量(微精度、微召回、微f1在多分类问题中等于准确度)。
4.2参数设置
首先，作者讨论了子模型结构的层数。我们设定一个规则，每一层的神经元数是前一层的一半，并将最后一层的神经元数固定为256。我们经验地考虑了两个隐藏层、三个隐藏层、四个隐藏层和五个隐藏层。不同配置下的度量分数和训练时间如下表所示。因此，作者采用了三层网络结构，以达到最好的性能。然后，作者讨论了dropout rate的影响。我们以0.1作为步长，将dropout rate从0设置为0.5，当dropout rate为0.3时获得最高的ACC和AUPR。
4.3特征评价
作者评估了不同药物特征对DDI事件预测的影响。使用每个特征或特征组合来构建DDIMDL模型，并采用模型的度量分数作为对应特征或特征组合有用性的指标。所有预测模型的结果见下表。
在所有的药物特征中，化学亚结构信息最为丰富，准确率为0.8623。基于目标特征的模型的准确率为0.8338，基于路径特征的模型的准确率为0.8182。酶的特征模型的精度为0.6687。与单个特性相比，这些特性的组合提供了显著的改进。子结构和目标的组合在两种特征的所有组合中产生最佳的性能；子结构、靶标和酶的组合在这三种特征的组合中表现得最好。此外，我们观察到，使用所有特征并不会比将子结构、靶标和酶结合起来得到更好的结果。
所有DDIMDL模型的精确召回曲线如下图所示。它们也直观地表明，多模态学习的应用提高了DDIMDL在DDI事件预测中的性能。
4.4方法比较
各预测模型的评价得分如下表所示，结果表明就所有指标而言，DDIMDL比其他方法具有更好的性能。
所有模型的精确回忆曲线如下图所示，而DDIMDL在所有方法中表现最好。
下图演示了DDIMDL在大多数类型的事件比其他方法生成更大的AUPR评分和AUC评分。
为了进一步分析预测模型的性能，我们使用下图显示在65种类型事件上不同方法的AUPR评分和AUC评分。这些箱线图清楚地显示，DDIMDL在处理这些事件时比比较的方法产生更好的统计性能，基于多模态深度学习的DDIMDL显著提高了DNN的性能。
4.5案例研究
作者使用来自DrugBank的数据集中的所有DDIs和它们的事件来训练预测模型，然后对其他药物-药物对进行预测。作者关注从#1到#5频率最高的5个事件，并检查与每个事件相关的前20个预测。
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结论
本研究从DrugBank获取DDI数据，并应用NLP技术根据描述语法将DDI相关事件分类为65种类型，编译了包含572种药物、74,528种相互作用和65种DDI相关事件的数据集。提出了一种基于深度学习的多模式深度学习框架DDIMDL，该框架将多种药物特性与深度学习相结合，用于DDI事件预测。通过使用五折交叉验证进行评估，DDIMDL的性能优于现有的DDI事件预测方法和基线方法。作者经过多方验证，说明了多模态深度学习框架是一种很有前途的DDI事件预测工具。
代码
https://github.com/YifanDengWHU/DDIMDL
参考资料
Yifan Deng, Xinran Xu, Yang Qiu, Jingbo Xia, Wen Zhang, Shichao Liu, A multimodal deep learning framework for predicting drug–drug interaction events, Bioinformatics, , btaa501,
https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btaa501
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