Predicting In Vivo Compound Brain Penetration Using Multi-task Graph Neural Networks

体内 优先次序 计算机科学 人工神经网络 渗透(战争) 人工智能 机器学习 数学 生物 生物技术 管理科学 运筹学 经济
作者
Seid Hamzic,Richard A. Lewis,Sandrine Desrayaud,Cihan Soylu,Mike Fortunato,Grégori Gerebtzoff,Raquel Rodríguez-Pérez
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:62 (13): 3180-3190 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.2c00412
摘要

Assessing whether compounds penetrate the brain can become critical in drug discovery, either to prevent adverse events or to reach the biological target. Generally, pre-clinical in vivo studies measuring the ratio of brain and blood concentrations (Kp) are required to estimate the brain penetration potential of a new drug entity. In this work, we developed machine learning models to predict in vivo compound brain penetration (as LogKp) from chemical structure. Our results show the benefit of including in vitro experimental data as auxiliary tasks in multi-task graph neural network (MT-GNN) models. MT-GNNs outperformed single-task (ST) models solely trained on in vivo brain penetration data. The best-performing MT-GNN regression model achieved a coefficient of determination of 0.42 and a mean absolute error of 0.39 (2.5-fold) on a prospective validation set and outperformed all tested ST models. To facilitate decision-making, compounds were classified into brain-penetrant or non-penetrant, achieving a Matthew's correlation coefficient of 0.66. Taken together, our findings indicate that the inclusion of in vitro assay data as MT-GNN auxiliary tasks improves in vivo brain penetration predictions and prospective compound prioritization.

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