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出版者:华东理工大学出版社

作者:Jie Jack Li

出品人:

页数:528

译者:邓卫平

出版时间:2016-5-1

价格:168.00元

装帧:精装

isbn号码:9787562844990

丛书系列:

图书标签:

• 医学
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《深度学习在药物发现中的应用：原理、模型与实践》 内容概要 本书深入探讨了深度学习技术如何在革命性地改变现代药物发现的各个环节。从靶点识别、分子生成、属性预测，到临床试验设计，深度学习正以前所未有的效率和精度赋能科学家们，加速新药的研发进程。本书系统性地梳理了深度学习在药物发现领域的核心原理，详细介绍了适用于不同任务的关键模型，并通过大量的实际案例展示了这些技术的落地应用。 第一部分：深度学习在药物发现中的基础与潜力 药物发现的挑战与机遇： 传统药物发现流程的漫长、昂贵和低成功率，以及人工智能，特别是深度学习，带来的颠覆性变革。 深度学习概述： 神经网络的基本原理、反向传播算法、激活函数、损失函数、优化器等核心概念。 化学信息学与生物信息学的交叉： 如何将化学结构、蛋白质序列、基因组数据等转化为深度学习模型可理解的特征向量。 深度学习在药物发现中的核心应用领域： 概览性的介绍，包括但不限于： 靶点识别与验证： 利用多组学数据和通路分析，发现与疾病相关的生物标志物和潜在的药物靶点。 分子生成与设计： 创造具有特定药理活性的全新分子结构，实现“从零到一”的药物设计。 分子属性预测： 预测化合物的 ADMET（吸收、分布、代谢、排泄、毒性）性质、靶点亲和力、溶解度、稳定性等。 药物重定位（老药新用）： 发现现有药物的新适应症。 临床试验优化： 预测患者对药物的反应，优化试验设计，提高成功率。 药物组合研究： 识别 synergistic 的药物组合，克服耐药性。 第二部分：核心深度学习模型在药物发现中的应用 卷积神经网络（CNN）在药物发现中的应用： 原理与优势： 如何处理图像类数据，以及在表示分子结构时的有效性。 表示分子结构： 从2D图（SMILES、分子图）到3D构象的表示方法。 应用案例： 图像识别在药物筛选中的应用（如高通量筛选图像分析）、分子指纹生成、基于图的药物-靶点相互作用预测。 循环神经网络（RNN）及其变体（LSTM, GRU）在药物发现中的应用： 原理与优势： 处理序列数据，捕捉信息之间的依赖关系。 SMILES字符串处理： 利用SMILES字符串生成和处理分子序列。 蛋白质序列分析： 预测蛋白质功能、序列-结构关系、靶点识别。 应用案例： 分子生成（SMILES生成器）、蛋白质-配体相互作用预测、药物反应预测。 图神经网络（GNN）在药物发现中的应用： 原理与优势： 直接在分子图结构上进行学习，更好地捕捉原子与化学键之间的复杂关系。 分子图表示： 原子节点、化学键边以及节点的属性（原子类型、电荷等）、边的属性（键类型）。 GNN架构： Graph Convolutional Networks (GCN), Graph Attention Networks (GAT), Message Passing Neural Networks (MPNN) 等。 应用案例： 分子性质预测（ADMET、溶解度、活性）、药物-靶点相互作用预测、分子相似性搜索、生成式模型（如GraphVAE, MolGAN）。 Transformer模型在药物发现中的应用： 原理与优势： 基于自注意力机制，能够捕捉长距离依赖关系，并行化处理能力强。 在SMILES序列处理中的应用： 类似自然语言处理（NLP）的文本序列处理。 在蛋白质序列处理中的应用： AlphaFold等突破性模型的原理。 应用案例： 新分子结构生成、药物-靶点相互作用预测、蛋白质结构预测、基因组分析。 生成对抗网络（GAN）在分子生成中的应用： 原理与优势： 通过生成器和判别器的博弈，生成逼真且具有所需属性的分子。 应用案例： 生成具有特定药理活性的分子、生成具有特定ADMET性质的分子、对抗性攻击在模型鲁棒性研究中的应用。 强化学习（RL）在分子设计中的应用： 原理与优势： 通过与环境交互，学习生成最优分子策略。 将分子生成视为一个序列决策过程。 应用案例： 引导分子生成器生成符合指定标准的分子、优化药物属性。 其他模型与技术： 自编码器（Autoencoder）与变分自编码器（VAE）： 用于分子表示学习、降维、生成模型。 迁移学习（Transfer Learning）与预训练模型： 利用大规模数据集预训练模型，加速下游任务的训练。 多任务学习（Multi-task Learning）： 同时训练模型解决多个相关任务，提升整体性能。 迁移学习与预训练模型： 如何利用大规模药物化学和生物学数据库（如ChEMBL, DrugBank, PDB, UniProt）预训练模型，提高在小数据集上的表现。 第三部分：药物发现中的实践与案例研究 数据准备与特征工程： 化合物数据的表示： SMILES, InChI, 分子图, 3D构象。 蛋白质数据的表示： 氨基酸序列, 结构信息。 多组学数据（基因组学, 转录组学, 蛋白质组学）的整合。 数据清洗、预处理与增广。 分子描述符与指纹的生成： Morgan fingerprints, MACCS keys, ECFP等。 模型训练与评估： 数据集划分： 训练集、验证集、测试集。 超参数调优： 网格搜索、随机搜索、贝叶斯优化。 评估指标： 回归任务： RMSE, MAE, R^2. 分类任务： Accuracy, Precision, Recall, F1-score, AUC. 生成模型： Validity, Uniqueness, Novelty, Diversity, Reinforcement Learning for property optimization. 真实世界案例研究： 靶点发现： 利用深度学习分析基因表达数据，识别与癌症相关的关键信号通路。 虚拟筛选： 使用深度学习模型预测化合物与靶点的结合亲和力，加速高通量筛选。 从头分子生成： 设计具有潜在抗病毒活性的全新化合物。 ADMET性质预测： 建立模型预测候选药物的毒性，减少后期失败率。 药物重定位： 发现用于治疗阿尔茨海默病的现有药物。 临床试验入组优化： 根据基因组学特征预测患者对特定药物的响应。 药物发现的未来展望： 可解释性AI（XAI）在药物发现中的重要性： 理解模型决策过程，增强信任，指导实验设计。 自动化实验室与AI的结合： 实现闭环的分子设计与合成。 联邦学习与隐私保护： 在保护敏感数据的前提下进行模型训练。 新兴的深度学习模型与技术（如Graph Transformers, Diffusion Models）。 AI赋能的药物发现平台与生态系统。 本书特色 体系完整： 从基础概念到前沿应用，全面覆盖深度学习在药物发现中的知识体系。 理论与实践并重： 深入浅出地讲解核心模型原理，并通过丰富的案例研究展示其实际应用。 技术前沿： 及时跟踪最新的深度学习技术进展，并探讨其在药物发现领域的应用潜力。 面向读者： 适合药物化学家、计算化学家、生物信息学专家、计算机科学研究人员以及对AI赋能药物发现感兴趣的专业人士。 代码示例（可选）： （如书中包含）提供关键算法的Python实现或伪代码，帮助读者理解和复现。 通过学习本书，读者将能够深刻理解深度学习如何驱动药物发现进入一个新时代，掌握应用相关技术解决实际问题的能力，并为未来药物研发的创新奠定坚实的基础。

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我必须承认，这本书的深度远超出了我最初的预期。当我翻开它时，我以为会读到一些关于市场趋势或者基础生物学的介绍，结果却被直接带入了**临床前研究的“炼狱”**。书中对**药物毒理学评估**的描述尤其令人印象深刻，它详细阐述了从细胞系到动物模型的过渡中，面临的伦理考量和数据解释的复杂性。作者没有回避早期研究中那些令人沮丧的失败案例，反而将其作为分析和学习的重点，这种坦诚的态度非常难得。特别是在论及**新佐剂的开发与疫苗设计**时，它提供的洞察力是革命性的，它不仅仅关注了目标抗原，更侧重于如何“唤醒”免疫系统的最佳时机和方式。阅读过程中，我仿佛成了一个初级研究员，在资深导师的带领下，小心翼翼地穿梭于各种复杂的实验设计和监管要求之间。这本书的行文风格是极其严谨的，但同时又充满了对科学真理不懈追求的那种激情，它不是一本轻松读物，但绝对是一本能让你思维得到极大锤炼的力作。

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这是一部结构极其巧妙的学术著作，它巧妙地在“基础科学”与“工程实践”之间架起了一座坚实的桥梁。我惊喜地发现，它对**药物专利布局与知识产权保护**这一商业环节的论述，并非敷衍了事，而是上升到了战略高度。作者深入剖析了如何在新药研发的早期阶段，就将专利保护的思维融入到分子设计的细节之中，这对于理解药物产业的真正壁垒至关重要。在技术层面上，书中关于**晶型研究（Polymorphism）与生物利用度**关系的讨论，极富启发性，它揭示了看似相同的化合物，仅仅因为晶体结构的微小差异，就可能导致截然不同的临床结果。这本书的语气非常沉稳且富有历史感，它回顾了过去几次药物发现的浪潮，并以一种哲学的思辨角度探讨了“有效性”与“安全性”之间永恒的张力。它成功地将一个技术密集型的领域，阐释成了一场充满智慧、挑战与高风险回报的**人类智力博弈**，读起来让人心潮澎湃，受益匪浅。

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这本书的阅读体验，怎么说呢，就像是在迷雾中找到了一盏指路的明灯，但它又不是那种照亮一切的强光，而是一种恰到好处、引人深思的柔和光芒。我发现自己读这本书的时候，经常需要停下来，反复咀嚼那些关于**药物代谢动力学（DMPK）**的论述。很多教科书只是简单地提一下吸收、分布、代谢和排泄这几个过程，但这本书却深入挖掘了为什么某些看似完美的分子会在体内遭遇“滑铁卢”，以及科研人员如何巧妙地利用结构修饰来改善这些不良特性。它的叙事风格非常注重“故事性”，它没有堆砌晦涩难懂的专业术语，而是通过一系列精心设计的“为什么会这样？”和“我们如何解决它？”的提问，引导读者自然而然地进入研究者的思维模式。比如，它对**手性药物的拆分与选择性合成**的介绍，就远比我之前读过的任何材料都要生动和易于理解。读完之后，我对于新药研发过程中那些看似微小却至关重要的细节，有了前所未有的尊重和敬畏。这本书的价值，在于它教会了我们如何“批判性地”看待一个药物的诞生过程，而非仅仅接受其最终的成功。

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这本书最让我感到震撼的地方，在于它对**新兴治疗模式**的宏大视野和细致描摹。它并没有沉溺于传统的“小分子”药物的成功学，而是将大量的篇幅投入到了**基因编辑技术（如CRISPR/Cas9系统在治疗遗传病中的应用潜力）**和**细胞疗法（如CAR-T的工程化改造）**这些前沿领域。作者对这些技术的原理阐述得极为清晰，它成功地将复杂的分子生物学机制，转化为非专业人士也能理解的逻辑框架，同时又保证了其科学上的准确性。我特别欣赏书中对于**递送系统（Drug Delivery System）**的讨论，它将纳米技术和高分子化学的知识巧妙地融入到药物输送的挑战中，展示了如何克服生物屏障，实现药物的精准打击。读完这些章节，我立刻对未来医疗保健的面貌有了一个更加立体和动态的认识。这本书的语言风格是偏向于一种**“引领者”的口吻**，它不是在解释已知，而是在描绘下一个十年乃至二十年科学可能达到的高度，充满了面向未来的自信和洞察力。

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这本书简直是打开了我对现代生物技术认识的一扇全新的大门。我原以为自己对“生物医药”这个领域已经有了基础的了解，但读完这本书后才发现，我之前的认知是多么的肤浅。作者的叙述逻辑极其缜密，从最基础的靶点识别，到复杂的药物分子设计与优化，每一个环节都剖析得入木三分。尤其是在阐述**高通量筛选技术**的演变过程中，那种层层递进的论述方式，让我仿佛亲眼目睹了科学家们是如何一步步克服技术瓶颈的。书中对于**计算化学在药物设计中的应用**的探讨，更是让我惊叹于科技力量的魔力，它不再是冰冷的公式堆砌，而是充满了创造力和预测性。我尤其喜欢其中关于**抗体药物偶联物（ADC）**的章节，它将传统的化疗策略与精准靶向技术完美结合起来，展现了未来癌症治疗的宏伟蓝图。书中引用的案例和数据都非常新颖且具有前瞻性，看得出作者下了大量的功夫去追踪最新的科研进展。对于任何希望深入了解现代药物研发流程的专业人士或深度爱好者来说，这本书都是一份不可多得的宝典，它不仅提供了知识，更重要的是，它激发了对科学探索的无限热情。

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