Engineering molecules with artificial intelligence
引言
生命科学的演进,是一部经验和智能不断升维、深度介入的驱动史。从实验技术采集海量数据,到生物信息学进行清洗整理,再到系统生物学编织机理网络,如今,现代 AI 正开始深度学习这些机制,构建起日益完整的生命模型。
随着以 Chai Discovery 为代表的前沿 AI 制药企业崛起,生物学看起来将会逐渐成为计算机科学的一个重要分支。然而,当硅基算法能在 24 小时内完成过去数年试错的分子设计时,新药研发的瓶颈便迅速转移到了下一个核心环节-如何在贴近人体真实生理的环境中,高效、高保真地对这些 AI 生成的分子进行筛选与验证?
在这场从“硅基生成”到“碳基验证”的接力赛中,诱导多能干细胞(iPSC)衍生的类器官,正扮演着不可替代的“人体仿真过滤器”角色。一、硅基狂飙:AI带来的“零样本”分子设计革命
传统新药研发中,“双十定律”(耗时 10 年、耗资 10 亿美元)是困扰行业的梦魇。而 AI 大模型的引入,正以指数级速度打破这一僵局。
在这场范式转变的最前沿,AI 制药独角兽 Chai Discovery 备受瞩目。这家成立于 2024 年 3 月的公司,致力于打造用于生物化学分子预测与从头设计的 AI 基础大模型,试图将生命科学从“依赖实验室试错的经验科学”,转变为通过“强悍的通用 AI 架构 + 极速迭代的计算能力 + 与大药企的闭环合作”,打造出可跨管线复用的“生物学计算机辅助设计套件”。
1. 生命的“自然语言”
Chai Discovery 的联合创始人 Josh Meyer 曾是 OpenAI 的核心员工。在探索大语言模型边界的过程中,Meyer 敏锐地意识到:既然大语言模型能理解人类的自然语言,那么生命演化的基石-DNA 与蛋白质序列,本质上也是一种包含深层逻辑的“自然语言”。
这一认知促使他投身 AI 制药,核心逻辑便是将顶尖的生成式大模型架构引入生物大分子与小分子设计,让计算机像撰写代码一样,从头“写”出能精准靶向疾病的全新分子。
2. 从 0.1% 到 30%:Chai-3 与“零样本”药物筛选
AI 在微观分子设计上的进化速度超乎所有人想象。仅仅一年前,依靠计算机直接设计抗体并在实验室成功结合的概率还只有 0.1%;而 Chai 推出的最新 Chai-3 模型,不仅将实验室测试成功率大幅拉升至接近 30%,更实现了分子质量的质变:
无需二次优化:过去 AI 生成的候选分子常需大量人工修饰,而 Chai-3 生成的分子已具备优良的结合属性,甚至无需人工修改即可进入后续实验。Meyer 将此称为“零样本(Zero-shot)”药物筛选。
“原子级显微镜”: 在微观结构预测上,与几年前 AlphaFold 预测抗体-抗原复合物约 3% 的准确率相比,Chai 的模型提升了一个数量级。在冷冻电子显微镜下,AI 预测的分子结构与真实物理结构的误差已小于一个原子的直径。
3. 巨头背书:礼来、辉瑞与主流药厂的极限压力测试
这种颠覆性的分子生成能力迅速吸引了全球药企巨头。医药巨头礼来(Eli Lilly)在内部对 Chai 的模型进行了极限压力测试,将其应用于大量真实难治性疾病管线。礼来反馈的真实数据(什么有效、什么无效),极大帮助了 Chai 确立未来的模型研发路线图。
与此同时,辉瑞、诺华等顶级药企也纷纷加速合作,将传统耗时数年的靶点分子发现与优化阶段,直接压缩至数周甚至 24 小时的计算过程。
4. 商业模式:追求“上限”而非单纯“降本”
Chai 的商业模式清晰且与 OpenAI 等顶级实验室如出一辙:技术越好->客户创造价值越大->赚取资金购买算力->训练出更强的下一代模型。
在制药这个极其庞大且愿意为“成功率和速度”买单的行业里,比竞争对手快一年上市,就能转化为数十亿美元的专利期商业价值。因此,在这一领域,业界看重的并非单纯的“降本(省下多少试剂盒的钱)”,而是 AI 的“上限(能做出多好的药、能否攻克不可药化靶点)”。
5. 硅基狂飙后的新瓶颈:为何需要 iPSC 类器官?
当 24 小时的硅基计算可以取代过去数年的试错,在分子层面,AI 模型甚至不再关心它要治疗的是癌症还是免疫疾病-只要给出明确靶点,模型就可以并行开发无数个项目。
然而,当硅基算法在短时间内极速输出成百上千个“零样本”高质量候选分子时,新药研发链条的瓶颈被推向了下一个核心节点:我们如何在贴近人体真实生理环境的体外模型中,高效、高保真地对这些 AI 生成分子进行筛选与验证?
传统的 2D 细胞实验无法模拟人体真实器官和肿瘤的 3D 致密屏障;而动物实验不仅周期长、成本高,更面临巨大的种属差异。正是为了对接 AI 极速生成的分子,iPSC 衍生的类器官作为一种“人体仿真过滤器”,正式登上了 AI 时代药物发现的主舞台。二、iPSC类器官:AI时代筛选链路中的“人体仿真过滤器”
iPSC(诱导多能干细胞)衍生类器官,是通过人工诱导分化出的三维微型人体组织(如微型肿瘤、肝脏、肠道、脑类器官等)。由于 iPSC 具备无限扩增与多向分化的能力,其诱导生成的 3D 类器官相比于患者来源的 PDO(肿瘤类器官)具有更高的标准化程度和批次一致性。
在 AI 驱动的现代药物筛选链路中,iPSC 类器官有着清晰而精准的定位:
定位:iPSC 类器官不用于几十万分子的大规模早期初筛(因通量和成本限制),而是插入在 2D 单层细胞筛选之后、动物实验之前的中期“淘汰赛”阶段。
形象类比: 2D 细胞筛选就像在露天靶场打平铺的纸靶,子弹(抗体/ADC)没有任何遮挡,子弹(抗体/ADC)只要飞过去,就能轻松打中每一个靶心,极易造成“人人都是神枪手”的药效爆表假象;而 iPSC 类器官则是直接搭建了一座碉堡暗哨重重的 3D 肿瘤立体城堡。像 ADC 这类特种武器,光撞到外墙没用,必须像“木马”一样穿过致密组织、渗入深处并被细胞吃进肚子里从内部爆破。在类器官堡垒里轰一遍,才能提前把“纸上谈兵”的候选分子淘汰掉。三、实战案例:抗体、双抗与ADC早期筛选中的“降维打击”
对于结构复杂的大分子药物(如抗体、双特异性抗体、ADC 药物),传统的 2D 细胞平皿培养由于缺乏立体空间屏障,极易高估药效。在 2D 细胞复筛完成后、进入昂贵动物实验之前,iPSC 类器官展现出了不可替代的“中期淘汰”价值。
当然,我们也需要直面 iPSC 类器官在工业化应用中的关键短板:通量相对较低、生产培养成本较高,因此无法用于早期几十万个分子级别的大规模初筛。
以下是药物筛选中四类核心模型的综合对比与短板分析:
模型
放在筛选哪一步
能干啥
短板
靶点蛋白板子
最早初筛
快速筛能不能结合靶点
完全没有细胞环境,大量假阳性
2D 单层肿瘤细胞
复筛阶段
通量高,快速看细胞层面结合、杀伤
平面培养,没有肿瘤三维屏障,高估药效
iPSC 类器官
2D 之后、动物之前
3D 立体,评估渗透、内吞、组织层面药效、早期脱靶毒性
通量低、成本高,不能几十万分子大规模筛
动物体内实验
PCC 临床前阶段
体内真实药效、PK、完整毒性
周期长、价格极贵,样本量有限
正是因为 iPSC 类器官具备 3D 立体组织屏障,对于结构复杂的大分子药物(如抗体、双特异性抗体、ADC 药物),它能完成 2D 单层细胞完全无法模拟的复杂场景评估:
1.抗体偶联药物(ADC):评估组织穿透深度与内吞效率
ADC 药物必须先深入致密的肿瘤组织内部,被细胞内吞后才能释放毒素(Payload)杀伤肿瘤。
iPSC 肿瘤类器官是 3D 小球团,可利用荧光染色直观检测 ADC 是仅停留在球体表面,还是能渗透至肿瘤球心深处。
评估 ADC 是否被有效内吞,以及能否杀死球芯细胞,避免出现“表面细胞死亡而核心肿瘤活得很好”的假阳性候选。
2.双特异性抗体:重现免疫细胞招募与空间交互
双抗往往需要同时结合肿瘤靶点与免疫细胞。
·免疫共培养模型:将 iPSC 肿瘤类器官与免疫 T 细胞共培养,模拟肿瘤微环境。
·空间招募评估:直观观察双抗能否在 3D 致密结构中将 T 细胞精准招募至肿瘤团块内部并激活杀伤,这是 2D 平面细胞完全无法复现的场景。
3.脱靶毒性预判与特殊屏障模型
·器官毒性早筛:利用 iPSC 诱导的正常人体器官类器官(如肝、肠道类器官),测试抗体或 ADC 强毒性 Payload 对正常组织的损伤,提前剔除毒性暴雷分子。
·血脑屏障类器官:对于脑靶向抗体,可利用 iPSC 诱导血脑屏障类器官,测试抗体的跨屏障穿透能力。
硬性指标要求:用于筛选的 iPSC 类器官必须保证靶点表达贴近真实人体肿瘤、形态与三维结构稳定(批次变异小)、功能完整,并且需要“肿瘤类器官(评估药效)+ 同源正常类器官(评估毒性)”对照使用。四、RSI递归自我迭代飞轮:硅碳闭环与生命科学的终极加速
在全局视野下,AI 分子生成与 iPSC 类器官高保真验证的结合,完美契合了AI 驱动的科研加速循环:
AI 工程实践创新 (Chai-3, 24小时计算,原子级精度生成"零样本"候选大分子)->
iPSC 类器官 3D 功能复筛 (碳基验证,模拟3D屏障渗透、ADC内吞、双抗招募、正常器官脱靶毒性) ->
转化为理论与形式化推理 (提炼生物学空间规律,构建形式化表述,反哺AI生命大模型) ->
驱动下一代模型迭代飞轮持续加速
这一硅碳闭环构成了 AI 递归自我迭代飞轮的核心:
1. AI 算法在 24 小时内计算出具备“原子级精度”的零样本分子;
2. iPSC 类器官在几周内提供贴近真实人体的高维度生物学真值反馈;
3. 高质真值数据重新喂给 AI 模型,推动算法提炼出深层的生物学理论与形式化规律;
4. 下一代更强的 AI 大模型被训练出来,进一步提升分子设计的成功率与速度。
结合当前全球监管体系对类器官等新方法学(NAMs)的政策破冰(如 FDA Modernization Act 及各项指导草案逐步减少对动物实验的依赖),这种“计算+高仿真人源验证”的范式正加速取代传统的盲目试错。
正如数学家陶哲轩等学者所洞察到的那样,当 AI 开始解决形式化问题并从工程实践中自我提炼理论时,科研加速的飞轮一旦启动,其演进速度将超越人类传统的认知节奏。当 24 小时的硅基计算加上数周的类器官碳基验证可以替代过去数年的试错时,人类距离攻克那些曾被认为无药可救的绝症,也许真的只差几次模型的迭代和反馈闭环。五、结语-硅碳交融,新药研发的终极加速
当时代的齿轮转到今天,生命科学正经历着有史以来最深刻的范式转移。一方面,以 Chai Discovery 为代表的生成式 AI 算法正在将分子设计推向“24小时算力输出”与“零样本成功率”的极致;另一方面,iPSC 衍生类器官则在培养皿里搭建起能够高保真还原人体生理机制的“微型沙盘”,弥合了计算机代码与真实生命体之间的鸿沟。
算法赋予了人类在前所未有的微观尺度上“从头设计生命分子”的能力,而 iPSC 类器官则以高维度、高保真的人源真值数据,为 AI 生命大模型的递归自我迭代提供了源源不断的燃料。结合全球监管机构对非动物替代方法(NAMs)的逐步破冰,这场由 AI 与 iPSC 类器官共同构筑的“硅碳闭环”,正将漫长盲目的经验试错重塑为精密可控的工程科学。
尽管生命系统的复杂性依然巨大,但这套新范式正让科研人员拥有更清晰的微观洞察力。人类攻克复杂绝症的道路或许依然漫长,但在“算力+人源高仿真验证”的飞轮运转下,新药发现正从充满未知的摸黑前行,走向更加确定、高效的未来。
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参考资料与文献
1.Deininger, L., Caldarelli, P., Zernicka-Goetz, M., & Mikut, R. (2026). From pixels to patterns: the AI revolution in stem cell-derived models. Nature Methods, 23(8), 1120–1132.
2.Chai Discovery. (2024). Chai-1: Technical Report on Foundation Models for Molecular Biology. Chai Discovery Technical Report.
3.Clevers, H. (2026). Organoids in Precision Oncology and Drug Screening: From Bench to Bedside. Nature Reviews Drug Discovery, 25(3), 180–196.
4.U.S. Food and Drug Administration (FDA). (2026). General Considerations for the Use of New Approach Methodologies (NAMs) in Drug Development: Guidance for Industry. FDA Draft Guidance.
5.U.S. Food and Drug Administration (FDA). (2026). Oncology Pharmaceuticals: Streamlined Nonclinical Safety Studies for Biologics and Conjugated Products. FDA Guidance Document.
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