北京星亢原生物科技有限公司(neoX Biotech)是一家将人工智能(AI)与生物物理相结合进行药物研发的生物高科技公司。星亢原专注大分子药物和多特异性药物研发,尤其是在肿瘤免疫治疗领域。针对治疗药物的早期发现,星亢原通过表征蛋白-蛋白相互作用(PPI)开发了一个强大的研发平台。星亢原已经与国内外生物医药公司建立合作,布局药物研发管线。
北京星亢原生物科技有限公司由美国麻省理工学院和加州理工学院的两位博士创立,拥有计算生物学、人工智能、生物信息学、肿瘤免疫学、药学专家组成的交叉学科研发团队,是下一代计算设计驱动的药企。

星亢原业务涉及了新药设计、基因分析和人工智能技术应用三个方面,亚马逊云科技云完全满足星亢原底层算法对计算存储灵活扩展的需求,在研发高峰期20分钟即可启动10,000个CPU的集群,保障了新药研发项目的快速推进和算法平台的迭代提高。"

刘帆博士

星亢原联合创始人兼 CTO

星亢原跨界新药研发,HPC平台构建是底层支撑

星亢原布局了三个研究方向:基于蛋白大分子药物的开发、基于蛋白降解机制的小分子新药设计,以及基于个性化肿瘤治疗型疫苗的探索。三个业务方向既有抗体和T细胞受体(TCR)的设计,也有多特异性小分子的设计,同时还根据肿瘤病人的基因测序通过人工智能算法,实现个性化、精准的肿瘤疫苗预测,这正是星亢原有别于其它初创药企之处:一般生物医药初创公司只专注于一个方向,而星亢原同时兼顾三个方向,极大程度上发挥基于蛋白-蛋白相互作用的底层算法和预测能力,在新药研发模式上的驱动创新作用。三个业务方向相互组合,在提升星亢原药物管线创新性的同时,不断迭代算法平台,也对底层的计算环境提出了更高的要求:
首先,三个业务的研发需要大量计算资源支撑,同时产生巨量数据,供后续利用人工智能分析处理、预测新药物使用,进一步提升了对计算资源的多样性和存储资源的扩展性的需求。
其次,药物研发工作量可能会爆发式增长,对计算与存储资源的需求往往会出现类似电商领域大促的激增,而且没有明显的时间特征,随时需要快速搭建起几百台机器、调用上万个CPU来支持研发,并确保一周之内连续运转。因此,需要平台具备灵活、快速和稳定的扩展能力。
最后,部分业务研发中,星亢原还将与其它药企合作,共同完成新药研发,其中将会涉及到大量的数据共享,这一过程对数据的安全性也提出了高标准要求。
将新兴的IT技术与新药研发深度结合的关键是构建强大的计算平台。考虑到本地计算集群较高的硬件与运维成本,星亢原一开始就锁定了亚马逊云科技云,既可以满足上述研发过程中计算需求,又能为未来新药设计成功后的个性化肿瘤疫苗预测建立批量生产平台。

20分钟启动具有10,000个CPU的集群

“ 亚马逊云科技拥有全面的服务功能,除了通常的Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2)外,如Amazon Lambda无服务器服务,还有多种数据库服务;同时,亚马逊云科技的管理简单、细致,可以根据我们的业务设置更为到位的安全组。亚马逊云科技的文档丰富,不仅拥有官方文档还有社区文档,便于我们学习。我们还了解到亚马逊云科技的线上线下支持工作很出色。在所有云计算厂商中,亚马逊云科技的性能是无与伦比的。”星亢原信息系统科学家卢宏超博士说,这是星亢原最初选择亚马逊云科技的原因。

星亢原基于亚马逊云科技的云原生架构演进示意图

利用Amazon ParallelCluster,星亢原构建了支持多类型主机、多集群机制的HPC平台,满足了其研究与实验同时对GPU、计算、内存等不同类型机器的使用需求;通过Amazon EC2 Auto Scaling可以快速扩展、并启动所需规模的集群,在星亢原药物研发中的分子模拟和人工智能场景下,即使计算高峰时需要300台36核CPU,10,000个CPU计算,也能在20分钟内构建并启动如此大规模的集群。而且Amazon EC2 Au-to Scaling在HPC场景下可根据任务需求对资源进行高效管理,确保了计算资源在研发任务结束后自动释放,实现更好地成本控制。同时,所有计算和服务器都在云端,内部研发人员只需配置自己的终端即可,节约了运维管理的人力成本,让星亢原可以更集中于核心药物的研发与设计工作。
此外,星亢原在亚马逊云科技云上构建了Amazon Virtual Private Cloud (Amazon VPC) 保护子网,所构建的研发集群系统和内部服务器都在安全的网络架构内,确保了不同工作区域的用户和企业合作之间数据共享的安全;核心系统的AMI镜像、Amazon EBS 快照通过Amazon Backup服务,能够轻松进行集中化、自动化的管理。Amazon Simple Storage Service (Amazon S3) 备份的采用,更进一步保障了数据的安全。

AI计算加速新冠病毒纳米抗体设计优化进程,临床前实验强效中和新冠病毒

新冠疫情期间,基于亚马逊云科技所构建的高性能计算平台,星亢原快速、弹性地构建出特定机型的集群,并通过与CRO伙伴的紧密合作,加速了针对新冠病毒突刺蛋白纳米抗体的设计和计算优化。更得益于亚马逊云科技 Diagnostic Development Initiative (DDI) 在疫情期间为对企业客户提供的技术支持,帮助企业支付与 COVID-19 响应相关的计划成本,使得星亢原可以根据研发需要扩展更大规模的资源,大胆试错,通过大规模CPU和GPU的虚拟筛选和设计优化,进一步提高了纳米抗体快速计算进化的方法,发现针对新冠表面突刺蛋白纳米抗体,在临床前实验中能够强效中和新冠病毒。该纳米抗体由于体积小和理化性质优异的特点,可以开发成有别于静脉注射的抗体药物的鼻喷式吸入剂,将药物递送到肺泡处,直接作用于病灶部位。
此外,在小分子研究中,星亢原基于亚马逊云科技集群构建的表征蛋白-蛋白相互作用(PPI)的研发平台,通过默克中国创新中心的项目加速,针对多个蛋白靶点快速设计出降解活性非常高的小分子,已经获得了临床前先导化合物,同时进一步优化其成药性,设计筛选临床前的候选化合物。该方法在多个靶点的成功实践,意味着星亢原建立了一套计算驱动设计蛋白降解小分子的方法论,可以针对多个难成药靶点快速开发蛋白降解小分子新药。
众所周知,新药研发的周期和成本非常之高,是所有医药企业都面临的一个重大难题。随着星亢原这样通过多学科交叉合作的创新跨界药企的出现,将会大大拓展新药开发方法的多样性,提升新药研发的开发效率和成功率。同时,亚马逊云科技也希望可以与医药企业合作,为其提供前沿的技术,与更多企业共同建立起计算辅助新药研发的平台,加速传统医药企业数字化转型,助力创新药企快速发展。

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