Beacon融合動(dòng)力學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)的混合建模加速細(xì)胞株開發(fā)

前言

GSK和劍橋大學(xué)的研究者在預(yù)印版發(fā)表了自己的研究結(jié)果：一種結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）與動(dòng)力學(xué)模型的混合方法，用于預(yù)測(cè)CHO細(xì)胞在微小型培養(yǎng)體系（包括Beacon®，孔板，flask）中的表現(xiàn)，該模型為生物制藥行業(yè)提供數(shù)字化決策工具。

其中，在Beacon®單細(xì)胞光導(dǎo)系統(tǒng)上完成了單細(xì)胞克隆，初始細(xì)胞株篩選以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Cp, Qp）的收集。

01研究背景和方法

針對(duì)細(xì)胞株開發(fā)（CLD）流程中“傳統(tǒng)方法需要6-12個(gè)月篩選數(shù)百個(gè)細(xì)胞株，早期小規(guī)模數(shù)據(jù)無法預(yù)測(cè)后期生物反應(yīng)器性能"的行業(yè)痛點(diǎn)，研究者創(chuàng)新性地提出混合模型——用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，再用動(dòng)力學(xué)模型模擬代謝曲線，即：

步驟1：通過動(dòng)力學(xué)模型（MCKM）將Ambr15™的高維代謝數(shù)據(jù)壓縮為13個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

步驟2：用ML建立"小規(guī)模數(shù)據(jù)→動(dòng)力學(xué)參數(shù)"的映射關(guān)系。

步驟3：將ML預(yù)測(cè)參數(shù)反饋至MCKM，生成可解釋的代謝曲線預(yù)測(cè)。

圖1. 該混合模型的示意圖概覽：以早期CLD數(shù)據(jù)作為輸入，預(yù)測(cè)后期CLD結(jié)果。(a) 輸入結(jié)構(gòu)及(b) 輸出結(jié)構(gòu)均基于CLD數(shù)據(jù)構(gòu)建。細(xì)胞株數(shù)量(n)代表本研究所用數(shù)據(jù)集中，針對(duì)單個(gè)單抗靶點(diǎn)開發(fā)執(zhí)行單次CLD流程的數(shù)值。

02核心結(jié)論

預(yù)測(cè)性能：

高精度：VCC細(xì)胞生長和mAb抗體滴度預(yù)測(cè)最佳（R2=0.80?0.88，R2 =0.80?0.88，pRMSE=8.5-11.2%）。

中等精度：銨（AMM）預(yù)測(cè)合理（R2=0.67，R2=0.67，pRMSE=10.0%）。

低精度：葡萄糖（GLC）、谷氨酰胺（GLN）、乳酸（LAC）誤差較高（pRMSE=20-30%），主因是動(dòng)力學(xué)模型回歸偏差及培養(yǎng)補(bǔ)料策略的細(xì)胞株特異性變異。

穩(wěn)定性預(yù)測(cè)：AMM曲線預(yù)測(cè)能力為早期評(píng)估細(xì)胞株穩(wěn)定性提供依據(jù)。

圖2. 混合模型對(duì)代謝物曲線的預(yù)測(cè)結(jié)果圖，繪制了所有測(cè)試細(xì)胞株在各時(shí)間點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值（真實(shí)值）與預(yù)測(cè)值對(duì)比。(a) 測(cè)試集結(jié)果，數(shù)據(jù)來源于四個(gè)歷史CLD項(xiàng)目，訓(xùn)練集與測(cè)試集按80%/20%劃分（訓(xùn)練樣本量N=112）；(b) 新測(cè)試集結(jié)果，該數(shù)據(jù)集為包含15個(gè)細(xì)胞株的未知CLD數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)多樣化的細(xì)胞株行為特征。此預(yù)測(cè)基于四個(gè)歷史CLD項(xiàng)目100%數(shù)據(jù)訓(xùn)練的混合模型（訓(xùn)練樣本量N=140）。

小結(jié)

借助Beacon®單細(xì)胞光導(dǎo)系統(tǒng)，研究者完成了全自動(dòng)的單細(xì)胞克隆，初始細(xì)胞株篩選以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Cp, Qp）的收集，細(xì)胞株及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于一種新的結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）與動(dòng)力學(xué)模型的混合方法的數(shù)據(jù)投喂和驗(yàn)證。該方法顯著提升篩選效率：僅需早期小規(guī)模數(shù)據(jù)即可預(yù)測(cè)Ambr15™表現(xiàn)，減少后期實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)，縮短CLD周期20-40%。