Published November 5, 2019 | Version v1
Publication Open

Advances and Perspectives in Applying Deep Learning for Drug Design and Discovery

  • 1. Universidade de São Paulo
  • 2. Universidade Federal de Minas Gerais
  • 3. Universidade Federal do ABC

Description

Discovering (or planning) a new drug candidate involves many parameters, which makes this process slow, costly and leading to failures at the end in some cases. In the last decades, we have witnessed a revolution in the computational area (hardware, software, large-scale computing, etc.), as well as an explosion in data generation (big data), which raises the need for more sophisticated algorithms to analyze this myriad of data. In this scenario, we can highlight the potentialities of artificial intelligence (AI) or computational intelligence (CI) as a powerful tool to analyze medicinal chemistry data. According to IEEE, computational intelligence involves the theory, the design, the application and the development of biologically and linguistically motivated computational paradigms. In addition, CI encompasses three main methodologies: neural networks (NN), fuzzy systems and evolutionary computation. In particular, artificial neural networks have been successfully applied in medicinal chemistry studies. A branch of the NN area that has attracted a lot of attention refers to deep learning (DL) due to its generalization power and ability to extract features from data. Therefore, in this mini-review we will briefly outline the present scope, advances and challenges related to the use of DL in drug design and discovery, describing successful studies involving quantitative structure-activity relationships (QSAR) and virtual screening (VS) of databases containing thousands of compounds.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتضمن اكتشاف (أو التخطيط) لمرشح دواء جديد العديد من المعلمات، مما يجعل هذه العملية بطيئة ومكلفة وتؤدي إلى الفشل في النهاية في بعض الحالات. في العقود الأخيرة، شهدنا ثورة في المجال الحسابي (الأجهزة والبرمجيات والحوسبة واسعة النطاق وما إلى ذلك)، بالإضافة إلى انفجار في توليد البيانات (البيانات الضخمة)، مما يثير الحاجة إلى خوارزميات أكثر تعقيدًا لتحليل هذا العدد الهائل من البيانات. في هذا السيناريو، يمكننا تسليط الضوء على إمكانات الذكاء الاصطناعي أو الذكاء الحسابي كأداة قوية لتحليل بيانات الكيمياء الطبية. وفقًا لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، يتضمن الذكاء الحسابي النظرية والتصميم والتطبيق وتطوير النماذج الحسابية ذات الدوافع البيولوجية واللغوية. بالإضافة إلى ذلك، يشمل الذكاء الاصطناعي ثلاث منهجيات رئيسية: الشبكات العصبية (NN) والأنظمة الغامضة والحساب التطوري. على وجه الخصوص، تم تطبيق الشبكات العصبية الاصطناعية بنجاح في دراسات الكيمياء الطبية. يشير أحد فروع منطقة شمال غرب التي جذبت الكثير من الاهتمام إلى التعلم العميق (DL) بسبب قوته التعميمية وقدرته على استخراج الميزات من البيانات. لذلك، في هذه المراجعة المصغرة، سنحدد بإيجاز النطاق الحالي والتقدم والتحديات المتعلقة باستخدام التعلم الرقمي في تصميم الأدوية واكتشافها، واصفين الدراسات الناجحة التي تنطوي على علاقات البنية الكمية والنشاط (QSAR) والفحص الافتراضي (VS) لقواعد البيانات التي تحتوي على آلاف المركبات.

Translated Description (French)

La découverte (ou la planification) d'un nouveau médicament candidat implique de nombreux paramètres, ce qui rend ce processus lent, coûteux et conduit à des échecs à la fin dans certains cas. Au cours des dernières décennies, nous avons assisté à une révolution dans le domaine informatique (matériel, logiciels, informatique à grande échelle, etc.), ainsi qu'à une explosion de la génération de données (big data), ce qui soulève la nécessité d'algorithmes plus sophistiqués pour analyser cette myriade de données. Dans ce scénario, nous pouvons mettre en évidence les potentialités de l'intelligence artificielle (IA) ou de l'intelligence computationnelle (IC) en tant qu'outil puissant pour analyser les données de chimie médicinale. Selon l'IEEE, l'intelligence computationnelle implique la théorie, la conception, l'application et le développement de paradigmes computationnels motivés biologiquement et linguistiquement. En outre, l'IC englobe trois méthodologies principales : les réseaux de neurones (NN), les systèmes flous et le calcul évolutif. En particulier, les réseaux de neurones artificiels ont été appliqués avec succès dans les études de chimie médicinale. Une branche de la zone NN qui a attiré beaucoup d'attention fait référence à l'apprentissage profond (DL) en raison de son pouvoir de généralisation et de sa capacité à extraire des caractéristiques des données. Par conséquent, dans cette mini-revue, nous décrirons brièvement la portée actuelle, les progrès et les défis liés à l'utilisation de la DL dans la conception et la découverte de médicaments, décrivant des études réussies impliquant des relations quantitatives structure-activité (QSAR) et le dépistage virtuel (VS) de bases de données contenant des milliers de composés.

Translated Description (Spanish)

Descubrir (o planificar) un nuevo candidato a fármaco implica muchos parámetros, lo que hace que este proceso sea lento, costoso y conduzca a fallas al final en algunos casos. En las últimas décadas, hemos sido testigos de una revolución en el área computacional (hardware, software, computación a gran escala, etc.), así como de una explosión en la generación de datos (big data), lo que plantea la necesidad de algoritmos más sofisticados para analizar esta miríada de datos. En este escenario, podemos destacar las potencialidades de la inteligencia artificial (IA) o la inteligencia computacional (IC) como una poderosa herramienta para analizar datos de química medicinal. Según el IEEE, la inteligencia computacional implica la teoría, el diseño, la aplicación y el desarrollo de paradigmas computacionales motivados biológica y lingüísticamente. Además, CI abarca tres metodologías principales: redes neuronales (NN), sistemas difusos y computación evolutiva. En particular, las redes neuronales artificiales se han aplicado con éxito en estudios de química médica. Una rama del área NN que ha atraído mucha atención se refiere al aprendizaje profundo (DL) debido a su poder de generalización y su capacidad para extraer características de los datos. Por lo tanto, en esta mini revisión describiremos brevemente el alcance actual, los avances y los desafíos relacionados con el uso de DL en el diseño y descubrimiento de fármacos, describiendo estudios exitosos que involucran relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR) y detección virtual (VS) de bases de datos que contienen miles de compuestos.

Files

pdf.pdf

Files (1.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f0a13ddba51f7f59139806cfabeef171
1.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التقدم ووجهات النظر في تطبيق التعلم العميق لتصميم الأدوية واكتشافها
Translated title (French)
Progrès et perspectives dans l'application de l'apprentissage en profondeur pour la conception et la découverte de médicaments
Translated title (Spanish)
Avances y perspectivas en la aplicación del aprendizaje profundo para el diseño y descubrimiento de fármacos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2981587771
DOI
10.3389/frobt.2019.00108

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W2001502878
  • https://openalex.org/W2043070647
  • https://openalex.org/W2046589863
  • https://openalex.org/W2053717624
  • https://openalex.org/W2074920600
  • https://openalex.org/W2103581045
  • https://openalex.org/W2117130368
  • https://openalex.org/W2117825133
  • https://openalex.org/W2136922672
  • https://openalex.org/W2189911347
  • https://openalex.org/W2213443318
  • https://openalex.org/W2234529989
  • https://openalex.org/W2266978829
  • https://openalex.org/W2276059766
  • https://openalex.org/W2290847742
  • https://openalex.org/W2340782621
  • https://openalex.org/W2397757171
  • https://openalex.org/W2471196942
  • https://openalex.org/W2565684601
  • https://openalex.org/W2592742128
  • https://openalex.org/W2622826443
  • https://openalex.org/W2735080382
  • https://openalex.org/W2860192827
  • https://openalex.org/W2899788782
  • https://openalex.org/W2900714044
  • https://openalex.org/W2904798866
  • https://openalex.org/W2913340405
  • https://openalex.org/W2919115771
  • https://openalex.org/W3100704554