Тема 10. ІННОВАЦІЇ

матеріал 9

179. ШІ в дизайні ліків. Частина 1.

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №179. ШІ в дизайні ліків. Частина 1.

Очікувані результати навчання:

планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різний спосіб [12 ПРО 2.2.2]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими значення природничих наук, техніки і технологій для суспільного прогресу і сталого розвитку [12 ПРО 3.4.1]

Мета уроку: Сформувати в учнів уявлення про роль штучного інтелекту в сучасній фармацевтиці, зокрема в процесі створення нових ліків. Розвивати критичне мислення, навички аналізу наукової інформації та усвідомлення етичних і практичних аспектів застосування ШІ в медицині.

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 3: Міцне здоров’я;
ЦСР 4: Якісна освіта;

Ключові слова: медицина, фармацевтика, штучний інтелект, лікарські речовини, бактерії, віруси, хвороби.

План уроку:

“Звідки беруться ліки і як ми можемо отримати їх більше?”;
Основні етапи дизайну ліків із використанням ШІ;
Розв’язок завдань для кращого розуміння теми;
Ознайомлення з науковими статтями, пов’язаними з використанням ШІ у розробці ліків;
Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

Я знаю основні етапи дизайну ліків із використанням ШІ;
Я наводжу приклади реального застосування ШІ для боротьби з хворобами (COVID-19, рак, ВІЛ тощо).
Я пояснюю переваги й ризики використання ШІ в розробці ліків;
Я вмію аналізувати наукові та медіа-джерела, пов’язані з використанням ШІ в розробці ліків.

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хвилин
Очікувані результати для вчителя:
Такі самі, як в учнів!
Тримайтеся, це лише на 45 хвилин!

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 6 хвилин
Обговоріть з учнями уривок зі статті, представлений в частині “Мотивація”.
Повний текст можна знайти тут:

https://www.newyorker.com/magazine/2024/09/09/how-machines-learned-to-discover-drugs?utm_source=chatgpt.com

Прочитайте уважно наступний текст:

“Природний світ містить багато мільярдів потенційних ліків.
Питання полягає в тому, як знайти ті, що працюють.

Коли я тільки став лікарем, я доглядав за літнім чоловіком, якого я назву Тедом. Він був настільки хворий на пневмонію, що йому було важко дихати. Його сімейний лікар призначав один антибіотик за іншим, але симптоми лише погіршувалися; коли я оглянув його в лікарні, у нього була висока температура, і він кашляв кров’ю. Здавалося, що його легені були інфіковані метицилін-резистентним золотистим стафілококом ( MRSA ) – бактерією, настільки стійкою, що мало які ліки можуть її вбити. Я встановив йому кисневу трубку в ніздрі, а один з моїх колег вставив крапельницю в руку. Ми вирішили дати йому ванкоміцин – останню лінію захисту від інакше невиліковних інфекцій.
Тед одужав з дивовижною швидкістю. Коли я зайшов наступного ранку, він посміхнувся та зняв кисневу трубку, дозволивши їй звисати біля шиї, як кулон. Потім він показав на крапельницю біля свого ліжка, звідки з пакета у вени капала прозора рідина.
«Звідки взялася ця штука?» — спитав Тед.
«Аптека», — сказав я.
«Ні, я маю на увазі, звідки воно взялося?»
У той час я ледве міг вимовити назви ліків, не кажучи вже про їхнє походження. «Мені доведеться повернутися до вас пізніше», – сказав я Теду. Його виписали раніше, ніж я зміг. Але в наступні роки я часто думав про його запитання. Щодня я призначаю ліки, походження яких для мене є загадкою. Я іноді зустрічаю пацієнта, для якого не можу запропонувати ефективного лікування, і запит Теда починає здаватися екзистенційним. Звідки беруться ліки і як ми можемо отримати їх більше?”.

Джерело: https://www.newyorker.com/magazine/2024/09/09/how-machines-learned-to-discover-drugs?utm_source=chatgpt.com

2. Тобі може знадобитися:

Дружня порада вчителю

Тривалість до 10 хв.
Продемонструйте учням презентацію, в якій наведені основні етапи дизайну ліків із використанням ШІ.
Можна скористатися наступними ресурсами:

https://strathprints.strath.ac.uk/86817/1/Mullowney_etal_NRDD_2023_Artificial_intelligence_for_natural_product_drug_discovery.pdf

та https://www.researchgate.net/figure/Framework-of-AI-technique-application-to-drug-discovery-and-evaluation-Major-procedures_fig1_368610019

Багато провідних світових ліків походять з природи. Стародавні єгиптяни лікували свої рани гелем алое вера; морфін і кодеїн походили з опійного маку. Оземпік був натхненний пептидом в отруті ящірки. Земля є одним з найбагатших джерел ліків, оскільки її мікроби та бактерії ведуть війну один з одним протягом мільйонів років.

Кількість хімічних речовин, які теоретично можуть виявитися корисними як ліки, оцінюється в десять у шістдесятому степені — кількість, більша за кількість атомів у Сонячній системі. Деякі з цих потенційних ліків можна знайти в природі. Інші вже були відкриті, але ми ще не знайшли їхнього застосування. Ще інші ніколи не були уявлені.

ШІ може допомогти у розробці ліків та вакцин, але для цього потрібно витратити час на його навчання.

*Застосування машинного навчання для пошуку природних продуктів і ліків.*
**Джерело**

Прогнозування біологічної активності та макромолекулярних мішеней на основі геномних, метаболічних та фенотипічних даних.
**Джерело**

*Конвеєр розробки ліків та вакцин проти COVID-19 на основі штучного інтелекту.*
**Джерело**

3. Життєва ситуація:

Дружня порада вчителю

Тривалість до 15 хвилин.
Допомагайте учням, консультуйте їх!

Завдання № 1.

Прочитайте уважно текст.
“Антибіотики стикаються зі своєрідним сізіфовим викликом: чим більше їх використовують, тим більше бактерій стають до них стійкими, і тим більше нових ліків потрібно розробити.
З часом бактерії знайшли способи зупинити потрапляння ліків у свої клітини або вивести їх, якщо це сталося; деякі еволюціонували, щоб виробляти ферменти, які нейтралізують ліки.
Проте фармацевтичні компанії рідко інвестують у нові антибіотики, частково тому, що ці препарати часто приносять мало грошей.
Створення арсеналу нових ліків чимось схоже на створення чемпіонської бейсбольної команди. Лише десять відсотків перспективних гравців коли-небудь грають у грі вищої ліги; лише десять відсотків потенційних препаратів витримують клінічні випробування. Але з часом бейсбол став грою, керованою даними, в якій професійні аналітики вивчають маловідомі показники, щоб оцінити потенціал гравця. Те саме тепер відбувається з ліками за участі ШІ.
У найближчі роки ШІ може не лише нишпорити по полицях хімічних бібліотек, а й наповнювати їх. Існуючі моделі ШІ мають погану звичку галюцинувати або викривляти хімічні структури, які є дивними або непрацездатними, так само як ChatGPT викривляє факти. При розробці ліків учені завжди зважають на те, що кожна молекула, створена ШІ, є небезпечною, до таких молекул вони ставляться обережно та з великою технічною точністю”.

Даний текст створено на основі наступного джерела:

https://www.newyorker.com/magazine/2024/09/09/how-machines-learned-to-discover-drugs?utm_source=chatgpt.com

Дайте відповіді на наступні запитання:

У чому полягає небезпека використання моделей ШІ для створення ліків?________________________________________________________________________________________________________
Які безпекові ризики можуть виникнути при використанні “галюцинуючого”
ШІ у медицині?
_________________________________________________________________________________________________________
Як саме ШІ може допомогти ученим створити нові антибіотики?
_________________________________________________________________________________________________________

Завдання № 2.

Прочитайте уважно уривок статті. Після прочитання статті дайте відповіді на запитання.
“Вчені за допомогою штучного інтелекту відкрили новий антибіотик, який може вбивати смертельні супербактерії — тобто бактерії, стійкі до інших антибіотиків. Абауцин – це спіроцикл, що містить заміщений фенетиламін, який, як повідомляється, проявляє корисну активність як антибіотик вузького спектру дії. Існують докази його ефективності проти Acinetobacter baumannii, одного з трьох видів бактерій, визначених Всесвітньою організацією охорони здоров’я як «критична загроза» для людства. Абауцин був розроблений за допомогою штучного інтелекту командою під керівництвом Джеймса Дж. Коллінза , викладача клініки Джаміля Массачусетського технологічного інституту та Джонатана Стокса з Макмастера.

Щоб знайти новий антибіотик, дослідникам спочатку довелося навчати ШІ. Вони взяли тисячі препаратів, точна хімічна структура яких була відома, і вручну перевірили їх на Acinetobacter baumannii, щоб побачити, які можуть послабити або вбити її.
Цю інформацію надали ШІ, щоб він міг вивчити хімічні властивості ліків, які можуть атакувати проблемну бактерію.
Потім штучний інтелект використали для перевірки списку з 6680 сполук, ефективність яких була невідома. Результати, опубліковані в Nature Chemical Biology, показали, що штучному інтелекту знадобилося півтори години, щоб створити короткий список.
Дослідники протестували 240 антибіотиків у лабораторії та виявили дев’ять потенційних варіантів. Одним із них був неймовірно потужний антибіотик абауцин”.

Джерело: https://www.bbc.com/ukrainian/news-65709484

Виконайте наступні завдання:

Встановіть молекулярну формулу абауцину, якщо відомо:

До складу антибіотика входять Карбон, Гідроген, Флуор, Нітроген, Оксиген;
Кількість атомів Карбону і Гідрогену однакова;
Кількість атомів Нітрогену і Оксигену однакова;
Кількість атомів Карбону і Гідрогену у сім разів більша, ніж кількість атомів Флуору;
Атомів Флуору в молекулі антибіотика на один більше, ніж атомів Нітрогену і Оксигену;
Молекула абауцину містить стільки ж атомів Оксигену, скільки молекула газу, який виробляють рослини в ході фотосинтезу.

Запишіть молекулярну формулу антибіотику, розставивши елементи в наступному порядку:
Карбон, Гідроген, Флуор, Нітроген, Оксиген.

МОЛЕКУЛЯРНА ФОРМУЛА АБАУЦИНУ:____________________________________

Дайте відповіді на наступні запитання:

Яку роль відіграв ШІ у процесі відкриття нового антибіотика?

Чому бактерія Acinetobacter baumannii вважається особливо небезпечною?

Які етапи проходив процес пошуку нового антибіотика перед тим, як отримати абауцин?

Завдання № 3.

Прочитайте твердження, наведені нижче.
Визначте, чи це є перевагою, ризиком або може бути і тим, і тим (залежно від обставин).
Поясніть свою відповідь.

ШІ може швидко проаналізувати тисячі молекул і відібрати найперспективніші;
ШІ може “галюцинувати” – створювати хімічні сполуки, які не існують або які небезпечні;
Завдяки ШІ може скоротити вартість і час створення ліків;
Люди можуть втратити критичне мислення і покладатися лише на ШІ;
ШІ може виявити ліки, які б людина не знайшла самостійно;

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Попрактикуймо самостійно:

Дружня порада вчителю

Тривалість до 15 хв.
Допомагайте учням, консультуйте їх.

Слідкуйте, щоб учні не використовували ШІ!
Вони мають самостійно знайти відповідні статті в Інтернеті.

Перевірте, чи всі учні правильно заповнюють таблицю.

ШІ у дизайні ліків

Проведіть пошукову роботу, заповніть таблицю. Оберіть п’ять різних захворювань (наприклад, рак легенів, Альцгеймер або COVID-19) та дослідіть, чи використовували ШІ для пошуку або розробки ліків та як саме. Знайдіть відповідні статті в Інтернеті, зазначте їхні назви та дати публікації.

Хвороба	Назва статті, дата публікації	Медична компанія/установа	Як саме ШІ допоміг: в діагностиці, розумінні механізму, доборі дозування, створенні моделей молекул лікарських речовин тощо.

Рефлексія:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хвилин
Обговоріть з учнями проведене заняття.

Виконайте рефлексію змісту вивченого матеріалу за допомогою вправи
«Плюс – мінус – цікаво».
Для цього дайте письмово відповіді на 3 запитання:

1. Плюс. Що Вам сподобалося на уроці чи було корисним?

2. Мінус. Що Вам не сподобалося на уроці чи було важким або незрозумілим?

3. Цікаво. Що Вам було цікавим та про, про що варто дізнатися більше?

У вільний від відпочинку час:

Використайте ШІ для класифікації існуючих ліків від простуди, кашлю, алергії.
Попросіть ШІ класифікувати ліки за діючими речовинами, побічними ефектами, фармакодинамікою, фармакокінетикою.

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №179. ШІ в дизайні ліків.

Очікувані результати навчання:

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 3: Міцне здоров’я;
ЦСР 4: Якісна освіта;

Ключові слова: медицина, фармацевтика, штучний інтелект, лікарські речовини, бактерії, віруси, хвороби.

План уроку:

“Звідки беруться ліки і як ми можемо отримати їх більше?”;
Основні етапи дизайну ліків із використанням ШІ;
Розв’язок завдань для кращого розуміння теми;
Ознайомлення з науковими статтями, пов’язаними з використанням ШІ у розробці ліків;
Рефлексія.

Очікувані результати для учнівства:

Я знаю основні етапи дизайну ліків із використанням ШІ;
Я наводжу приклади реального застосування ШІ для боротьби з хворобами (COVID-19, рак, ВІЛ тощо).
Я пояснюю переваги й ризики використання ШІ в розробці ліків;
Я вмію аналізувати наукові та медіа-джерела, пов’язані з використанням ШІ в розробці ліків.

1. Мотивація

Прочитайте уважно наступний текст:

Джерело: https://www.newyorker.com/magazine/2024/09/09/how-machines-learned-to-discover-drugs?utm_source=chatgpt.com

2. Тобі може знадобитися:

ШІ може допомогти у розробці ліків та вакцин, але для цього потрібно витратити час на його навчання.

3. Життєва ситуація:

Завдання № 1.

Даний текст створено на основі наступного джерела:

https://www.newyorker.com/magazine/2024/09/09/how-machines-learned-to-discover-drugs?utm_source=chatgpt.com

Дайте відповіді на наступні запитання:

У чому полягає небезпека використання моделей ШІ для створення ліків?________________________________________________________________________________________________________
Які безпекові ризики можуть виникнути при використанні “галюцинуючого”
ШІ у медицині?
_________________________________________________________________________________________________________
Як саме ШІ може допомогти ученим створити нові антибіотики?
_________________________________________________________________________________________________________

Завдання № 2.

Джерело: https://www.bbc.com/ukrainian/news-65709484

Виконайте наступні завдання:

Встановіть молекулярну формулу абауцину, якщо відомо:

До складу антибіотика входять Карбон, Гідроген, Флуор, Нітроген, Оксиген;
Кількість атомів Карбону і Гідрогену однакова;
Кількість атомів Нітрогену і Оксигену однакова;
Кількість атомів Карбону і Гідрогену у сім разів більша, ніж кількість атомів Флуору;
Атомів Флуору в молекулі антибіотика на один більше, ніж атомів Нітрогену і Оксигену;
Молекула абауцину містить стільки ж атомів Оксигену, скільки молекула газу, який виробляють рослини в ході фотосинтезу.

МОЛЕКУЛЯРНА ФОРМУЛА АБАУЦИНУ:____________________________________

Дайте відповіді на наступні запитання:

Яку роль відіграв ШІ у процесі відкриття нового антибіотика?

Чому бактерія Acinetobacter baumannii вважається особливо небезпечною?

Які етапи проходив процес пошуку нового антибіотика перед тим, як отримати абауцин?

Завдання № 3.

ШІ може швидко проаналізувати тисячі молекул і відібрати найперспективніші;
ШІ може “галюцинувати” – створювати хімічні сполуки, які не існують або які небезпечні;
Завдяки ШІ може скоротити вартість і час створення ліків;
Люди можуть втратити критичне мислення і покладатися лише на ШІ;
ШІ може виявити ліки, які б людина не знайшла самостійно;

4. Попрактикуймо самостійно:

ШІ у дизайні ліків

Хвороба	Назва статті, дата публікації	Медична компанія/установа	Як саме ШІ допоміг: в діагностиці, розумінні механізму, доборі дозування, створенні моделей молекул лікарських речовин тощо.

Рефлексія:

1. Плюс. Що Вам сподобалося на уроці чи було корисним?

2. Мінус. Що Вам не сподобалося на уроці чи було важким або незрозумілим?

3. Цікаво. Що Вам було цікавим та про, про що варто дізнатися більше?

У вільний від відпочинку час:

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе