A constructive approach for discovering new drug leads: Using a kernel methodology for the inverse-QSAR problem

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The inverse-QSAR problem seeks to find a new molecular descriptor from which one can recover the structure of a molecule that possess a desired activity or property. Surprisingly, there are very few papers providing solutions to this problem. It is a difficult problem because the molecular descriptors involved with the inverse-QSAR algorithm must adequately address the forward QSAR problem for a given biological activity if the subsequent recovery phase is to be meaningful. In addition, one should be able to construct a feasible molecule from such a descriptor. The difficulty of recovering the molecule from its descriptor is the major limitation of most inverse-QSAR methods.</p> <p>Results</p> <p>In this paper, we describe the reversibility of our previously reported descriptor, the vector space model molecular descriptor (VSMMD) based on a vector space model that is suitable for kernel studies in QSAR modeling. Our inverse-QSAR approach can be described using five steps: (1) generate the VSMMD for the compounds in the training set; (2) map the VSMMD in the input space to the kernel feature space using an appropriate kernel function; (3) design or generate a new point in the kernel feature space using a kernel feature space algorithm; (4) map the feature space point back to the input space of descriptors using a pre-image approximation algorithm; (5) build the molecular structure template using our VSMMD molecule recovery algorithm.</p> <p>Conclusion</p> <p>The empirical results reported in this paper show that our strategy of using kernel methodology for an inverse-Quantitative Structure-Activity Relationship is sufficiently powerful to find a meaningful solution for practical problems.</p

Characterization of Jet Fuel Combustion Emissions During a C-130 Aeromedical Evacuation Engines Running Onload

The purpose of this research was to characterize jet fuel combustion emissions (JFCE) in an occupational setting. Prior research demonstrated that aircraft emit hazardous species, especially at engine start-up and ground idle. Complaints of eye, nose, and throat irritation from occupational exposures near aircraft exist. In this study JFCE were tested during an aeromedical evacuation engines running patient onload (ERO) on a C-130 Hercules at the 179th Airlift Wing, Mansfield-Lahm Air National Guard. Ultrafine particles, VOC, formaldehyde, carbon monoxide (CO), sulfuric acid, and metals were sampled simultaneously in approximate crew and patient breathing zones. Testing methods were portable condensation particle counters (CPC), polycarbonate filters (PC) and thermophoretic samplers (TPS) for electron microscopy, MultiRae® gas monitors, EPA methods TO-17 and TO-11, and NIOSH methods N0600, N7908, N7300. Ultrafine particulate matter, VOC including EPA HAPs, formaldehyde, CO, and unburned jet fuel were detected. Particles were dominated by soot that was predominantly carbonaceous with trace oxygen, sulfur and few metals in concentrations up to 3.4E+06 particles/cc. Particle size distributions were varied with most sizes less than 100 nanometers (nm). Particle morphology was highly irregular. VOC were detected in ppb, and formaldehyde in ppm. Additive or synergistic effects are suspected and may intensify irritation. Health implications from inhaling nano-sized soot particles are inconclusive

Dynamics of Chemical Degradation in Water Using Photocatalytic Reactions in an Ultraviolet Light Emitting Diode Reactor

This work examined ultraviolet (UV) light emitting diodes (LED) and hydrogen peroxide in an advanced oxidation process in support of a USAF installation net zero water initiative. A UV LED reactor was used for degradation of soluble organic chemicals. There were linear relationships between input drive current, optical output power, and first order degradation rate constants. When drive current was varied, first order degradation rates depended on chemical identities and the drive current. When molar peroxide ratios were varied, kinetic profiles revealed peroxide-limited or radical-scavenged phenomena. Molar absorptivity helped explain the complexity of chemical removal profiles. Degradation kinetics were used to compare fit of molecular descriptors from published quantitative structure property relationship (QSPR) models. A novel QSPR model was built using zero point energy and molar absorptivity as predictors. Finally, a systems architecture was used to describe a net zero water program and proposed areas for UV LED reactor integration. Facility-level wastewater treatment was found to be the most feasible near-term application

Exploring Complex Networks with Graph Investigator Research Application

This paper describes Graph Investigator, the application intended for analysis of complex networks. A rich set of application functions is briefly described including graph feature generation, comparison, visualization and edition. The program enables to analyze global and local structural properties of networks with the use of various descriptors derived from graph theory. Furthermore, it allows to quantify inter-graph similarity by embedding graph patterns into low-dimensional space or distance measurement based on feature vectors. The set of available graph descriptors includes over eighty statistical and algebraic measures. We present two examples of real-world networks analysis performed with Graph Investigator: comparison of brain vasculature with structurally similar artificial networks and analysis of vertices importance in a macaque cortical connectivity network. The third example describes tracking parameters of artificial vascular network evolving in the process of angiogenesis, modelled with the use of cellular automata

A lightweight, graph-theoretic model of class-based similarity to support object-oriented code reuse.

The work presented in this thesis is principally concerned with the development of a method and set of tools designed to support the identification of class-based similarity in collections of object-oriented code. Attention is focused on enhancing the potential for software reuse in situations where a reuse process is either absent or informal, and the characteristics of the organisation are unsuitable, or resources unavailable, to promote and sustain a systematic approach to reuse. The approach builds on the definition of a formal, attributed, relational model that captures the inherent structure of class-based, object-oriented code. Based on code-level analysis, it relies solely on the structural characteristics of the code and the peculiarly object-oriented features of the class as an organising principle: classes, those entities comprising a class, and the intra and inter-class relationships existing between them, are significant factors in defining a two-phase similarity measure as a basis for the comparison process. Established graph-theoretic techniques are adapted and applied via this model to the problem of determining similarity between classes. This thesis illustrates a successful transfer of techniques from the domains of molecular chemistry and computer vision. Both domains provide an existing template for the analysis and comparison of structures as graphs. The inspiration for representing classes as attributed relational graphs, and the application of graph-theoretic techniques and algorithms to their comparison, arose out of a well-founded intuition that a common basis in graph-theory was sufficient to enable a reasonable transfer of these techniques to the problem of determining similarity in object-oriented code. The practical application of this work relates to the identification and indexing of instances of recurring, class-based, common structure present in established and evolving collections of object-oriented code. A classification so generated additionally provides a framework for class-based matching over an existing code-base, both from the perspective of newly introduced classes, and search "templates" provided by those incomplete, iteratively constructed and refined classes associated with current and on-going development. The tools and techniques developed here provide support for enabling and improving shared awareness of reuse opportunity, based on analysing structural similarity in past and ongoing development, tools and techniques that can in turn be seen as part of a process of domain analysis, capable of stimulating the evolution of a systematic reuse ethic

定量的構造物性相関/定量的構造活性相関モデルの逆解析を利用した化学構造創出に関する研究

学位の種別: 課程博士審査委員会委員 : （主査）東京大学教授 船津 公人, 東京大学教授 酒井 康行, 東京大学准教授 杉山 弘和, 東京大学准教授 伊藤 大知, 京都大学特任教授 奧野 恭史, スイス連邦工科大学教授 Gisbert SchneiderUniversity of Tokyo(東京大学

Virtual screening of potential bioactive substances using the support vector machine approach

Die vorliegende Dissertation stellt eine kumulative Arbeit dar, die in insgesamt acht wissenschaftlichen Publikationen (fünf publiziert, zwei eingerichtet und eine in Vorbereitung) dargelegt ist. In diesem Forschungsprojekt wurden Anwendungen von maschinellem Lernen für das virtuelle Screening von Moleküldatenbanken durchgeführt. Das Ziel war primär die Einführung und Überprüfung des Support-Vector-Machine (SVM) Ansatzes für das virtuelle Screening nach potentiellen Wirkstoffkandidaten. In der Einleitung der Arbeit ist die Rolle des virtuellen Screenings im Wirkstoffdesign beschrieben. Methoden des virtuellen Screenings können fast in jedem Bereich der gesamten pharmazeutischen Forschung angewendet werden. Maschinelles Lernen kann einen Einsatz finden von der Auswahl der ersten Moleküle, der Optimierung der Leitstrukturen bis hin zur Vorhersage von ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Toxicity) Eigenschaften. In Abschnitt 4.2 werden möglichen Verfahren dargestellt, die zur Beschreibung von chemischen Strukturen eingesetzt werden können, um diese Strukturen in ein Format zu bringen (Deskriptoren), das man als Eingabe für maschinelle Lernverfahren wie Neuronale Netze oder SVM nutzen kann. Der Fokus ist dabei auf diejenigen Verfahren gerichtet, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wurden. Die meisten Methoden berechnen Deskriptoren, die nur auf der zweidimensionalen (2D) Struktur basieren. Standard-Beispiele hierfür sind physikochemische Eigenschaften, Atom- und Bindungsanzahl etc. (Abschnitt 4.2.1). CATS Deskriptoren, ein topologisches Pharmakophorkonzept, sind ebenfalls 2D-basiert (Abschnitt 4.2.2). Ein anderer Typ von Deskriptoren beschreibt Eigenschaften, die aus einem dreidimensionalen (3D) Molekülmodell abgeleitet werden. Der Erfolg dieser Beschreibung hangt sehr stark davon ab, wie repräsentativ die 3D-Konformation ist, die für die Berechnung des Deskriptors angewendet wurde. Eine weitere Beschreibung, die wir in unserer Arbeit eingesetzt haben, waren Fingerprints. In unserem Fall waren die verwendeten Fingerprints ungeeignet zum Trainieren von Neuronale Netzen, da der Fingerprintvektor zu viele Dimensionen (~ 10 hoch 5) hatte. Im Gegensatz dazu hat das Training von SVM mit Fingerprints funktioniert. SVM hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Methoden, dass sie in sehr hochdimensionalen Räumen gut klassifizieren kann. Dieser Zusammenhang zwischen SVM und Fingerprints war eine Neuheit, und wurde von uns erstmalig in die Chemieinformatik eingeführt. In Abschnitt 4.3 fokussiere ich mich auf die SVM-Methode. Für fast alle Klassifikationsaufgaben in dieser Arbeit wurde der SVM-Ansatz verwendet. Ein Schwerpunkt der Dissertation lag auf der SVM-Methode. Wegen Platzbeschränkungen wurde in den beigefügten Veröffentlichungen auf eine detaillierte Beschreibung der SVM verzichtet. Aus diesem Grund wird in Abschnitt 4.3 eine vollständige Einführung in SVM gegeben. Darin enthalten ist eine vollständige Diskussion der SVM Theorie: optimale Hyperfläche, Soft-Margin-Hyperfläche, quadratische Programmierung als Technik, um diese optimale Hyperfläche zu finden. Abschnitt 4.3 enthält auch eine Diskussion von Kernel-Funktionen, welche die genaue Form der optimalen Hyperfläche bestimmen. In Abschnitt 4.4 ist eine Einleitung in verschiede Methoden gegeben, die wir für die Auswahl von Deskriptoren genutzt haben. In diesem Abschnitt wird der Unterschied zwischen einer „Filter“- und der „Wrapper“-basierten Auswahl von Deskriptoren herausgearbeitet. In Veröffentlichung 3 (Abschnitt 7.3) haben wir die Vorteile und Nachteile von Filter- und Wrapper-basierten Methoden im virtuellen Screening vergleichend dargestellt. Abschnitt 7 besteht aus den Publikationen, die unsere Forschungsergebnisse enthalten. Unsere erste Publikation (Veröffentlichung 1) war ein Übersichtsartikel (Abschnitt 7.1). In diesem Artikel haben wir einen Gesamtüberblick der Anwendungen von SVM in der Bio- und Chemieinformatik gegeben. Wir diskutieren Anwendungen von SVM für die Gen-Chip-Analyse, die DNASequenzanalyse und die Vorhersage von Proteinstrukturen und Proteininteraktionen. Wir haben auch Beispiele beschrieben, wo SVM für die Vorhersage der Lokalisation von Proteinen in der Zelle genutzt wurden. Es wird dabei deutlich, dass SVM im Bereich des virtuellen Screenings noch nicht verbreitet war. Um den Einsatz von SVM als Hauptmethode unserer Forschung zu begründen, haben wir in unserer nächsten Publikation (Veröffentlichung 2) (Abschnitt 7.2) einen detaillierten Vergleich zwischen SVM und verschiedenen neuronalen Netzen, die sich als eine Standardmethode im virtuellen Screening etabliert haben, durchgeführt. Verglichen wurde die Trennung von wirstoffartigen und nicht-wirkstoffartigen Molekülen („Druglikeness“-Vorhersage). Die SVM konnte 82% aller Moleküle richtig klassifizieren. Die Klassifizierung war zudem robuster als mit dreilagigen feedforward-ANN bei der Verwendung verschiedener Anzahlen an Hidden-Neuronen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Deskriptoren zur Beschreibung der Moleküle berechnet: Ghose-Crippen Fragmentdeskriptoren [86], physikochemische Eigenschaften [9] und topologische Pharmacophore (CATS) [10]. Die Entwicklung von weiteren Verfahren, die auf dem SVM-Konzept aufbauen, haben wir in den Publikationen in den Abschnitten 7.3 und 7.8 beschrieben. Veröffentlichung 3 stellt die Entwicklung einer neuen SVM-basierten Methode zur Auswahl von relevanten Deskriptoren für eine bestimmte Aktivität dar. Eingesetzt wurden die gleichen Deskriptoren wie in dem oben beschriebenen Projekt. Als charakteristische Molekülgruppen haben wir verschiedene Untermengen der COBRA Datenbank ausgewählt: 195 Thrombin Inhibitoren, 226 Kinase Inhibitoren und 227 Faktor Xa Inhibitoren. Es ist uns gelungen, die Anzahl der Deskriptoren von ursprünglich 407 auf ungefähr 50 zu verringern ohne signifikant an Klassifizierungsgenauigkeit zu verlieren. Unsere Methode haben wir mit einer Standardmethode für diese Anwendung verglichen, der Kolmogorov-Smirnov Statistik. Die SVM-basierte Methode erwies sich hierbei in jedem betrachteten Fall als besser als die Vergleichsmethoden hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit bei der gleichen Anzahl an Deskriptoren. Eine ausführliche Beschreibung ist in Abschnitt 4.4 gegeben. Dort sind auch verschiedene „Wrapper“ für die Deskriptoren-Auswahl beschrieben. Veröffentlichung 8 beschreibt die Anwendung von aktivem Lernen mit SVM. Die Idee des aktiven Lernens liegt in der Auswahl von Molekülen für das Lernverfahren aus dem Bereich an der Grenze der verschiedenen zu unterscheidenden Molekülklassen. Auf diese Weise kann die lokale Klassifikation verbessert werden. Die folgenden Gruppen von Moleküle wurden genutzt: ACE (Angiotensin converting enzyme), COX2 (Cyclooxygenase 2), CRF (Corticotropin releasing factor) Antagonisten, DPP (Dipeptidylpeptidase) IV, HIV (Human immunodeficiency virus) protease, Nuclear Receptors, NK (Neurokinin receptors), PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), Thrombin, GPCR und Matrix Metalloproteinasen. Aktives Lernen konnte die Leistungsfähigkeit des virtuellen Screenings verbessern, wie sich in dieser retrospektiven Studie zeigte. Es bleibt abzuwarten, ob sich das Verfahren durchsetzen wird, denn trotzt des Gewinns an Vorhersagegenauigkeit ist es aufgrund des mehrfachen SVMTrainings aufwändig. Die Publikationen aus den Abschnitten 7.5, 7.6 und 7.7 (Veröffentlichungen 5-7) zeigen praktische Anwendungen unserer SVM-Methoden im Wirkstoffdesign in Kombination mit anderen Verfahren, wie der Ähnlichkeitssuche und neuronalen Netzen zur Eigenschaftsvorhersage. In zwei Fällen haben wir mit dem Verfahren neuartige Liganden für COX-2 (cyclooxygenase 2) und dopamine D3/D2 Rezeptoren gefunden. Wir konnten somit klar zeigen, dass SVM-Methoden für das virtuelle Screening von Substanzdatensammlungen sinnvoll eingesetzt werden können. Es wurde im Rahmen der Arbeit auch ein schnelles Verfahren zur Erzeugung großer kombinatorischer Molekülbibliotheken entwickelt, welches auf der SMILES Notation aufbaut. Im frühen Stadium des Wirstoffdesigns ist es wichtig, eine möglichst „diverse“ Gruppe von Molekülen zu testen. Es gibt verschiedene etablierte Methoden, die eine solche Untermenge auswählen können. Wir haben eine neue Methode entwickelt, die genauer als die bekannte MaxMin-Methode sein sollte. Als erster Schritt wurde die „Probability Density Estimation“ (PDE) für die verfügbaren Moleküle berechnet. [78] Dafür haben wir jedes Molekül mit Deskriptoren beschrieben und die PDE im N-dimensionalen Deskriptorraum berechnet. Die Moleküle wurde mit dem Metropolis Algorithmus ausgewählt. [87] Die Idee liegt darin, wenige Moleküle aus den Bereichen mit hoher Dichte auszuwählen und mehr Moleküle aus den Bereichen mit niedriger Dichte. Die erhaltenen Ergebnisse wiesen jedoch auf zwei Nachteile hin. Erstens wurden Moleküle mit unrealistischen Deskriptorwerten ausgewählt und zweitens war unser Algorithmus zu langsam. Dieser Aspekt der Arbeit wurde daher nicht weiter verfolgt. In Veröffentlichung 6 (Abschnitt 7.6) haben wir in Zusammenarbeit mit der Molecular-Modeling Gruppe von Aventis-Pharma Deutschland (Frankfurt) einen SVM-basierten ADME Filter zur Früherkennung von CYP 2C9 Liganden entwickelt. Dieser nichtlineare SVM-Filter erreichte eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit (q2 = 0.48) als ein auf den gleichen Daten entwickelten PLS-Modell (q2 = 0.34). Es wurden hierbei Dreipunkt-Pharmakophordeskriptoren eingesetzt, die auf einem dreidimensionalen Molekülmodell aufbauen. Eines der wichtigen Probleme im computerbasierten Wirkstoffdesign ist die Auswahl einer geeigneten Konformation für ein Molekül. Wir haben versucht, SVM auf dieses Problem anzuwenden. Der Trainingdatensatz wurde dazu mit jeweils mehreren Konformationen pro Molekül angereichert und ein SVM Modell gerechnet. Es wurden anschließend die Konformationen mit den am schlechtesten vorhergesagten IC50 Wert aussortiert. Die verbliebenen gemäß dem SVM-Modell bevorzugten Konformationen waren jedoch unrealistisch. Dieses Ergebnis zeigt Grenzen des SVM-Ansatzes auf. Wir glauben jedoch, dass weitere Forschung auf diesem Gebiet zu besseren Ergebnissen führen kann