癌症研究

人工智能在癌症领域的应用：应用、挑战与未来展望

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【编者按】

人工智能正以前所未有的速度重塑肿瘤学研究范式。从深度学习算法突破到海量医疗数据应用，AI技术正在癌症预防、诊断和治疗各环节展现出变革性潜力。本期专题聚焦人工智能在肿瘤学领域的前沿应用，既呈现AI技术在解析复杂生物机制、提升临床决策精度方面的突破性成果，也深入探讨其规模化应用面临的伦理规范与技术挑战。这场医学与人工智能的深度交融，正在为精准医疗开启全新可能。

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摘要
“人工智能正在迅速改变肿瘤学研究的格局，推动个性化临床干预措施的进步。在三个相互关联领域的进展——包括AI模型训练方法和算法的开发、专用计算硬件的演进，以及对大量癌症数据（如影像学、基因组学和临床信息）获取的增加——已经汇聚在一起，催生了AI在癌症研究中前景广阔的新应用。”

人工智能应用根据特定癌症类型和临床领域进行系统组织，涵盖生物机制的阐明和预测、临床数据模式的识别和利用以改善患者预后，以及流行病学、行为学和真实世界数据集中固有复杂性的解析。当以符合伦理和科学严谨的方式应用时，这些AI驱动的方法有望加速癌症研究的进展，并最终促进所有人群健康结局的改善。我们回顾了展示AI在肿瘤学中整合的实例，重点介绍了深度学习熟练应对曾被认为不可逾越挑战的案例，同时讨论了促进这些技术更广泛采用必须克服的障碍。

引言

癌症仍然是全球主要的死亡原因[1]。预测估计到2050年将有约3500万病例[2]。这一惊人的增长凸显了加速癌症研究和治疗策略开发的紧迫性。

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在过去十年中，由于先进深度学习算法的出现、计算硬件的显著进步以及用于临床决策的数据快速增长[3,4,5]，医学领域对人工智能整合的兴趣重新燃起并日益增长。此外，其在肿瘤学中的应用展现出显著且不断扩大的潜力，涵盖基础科学追求（如蛋白质折叠预测[6,7]）、转化计划（如生物标志物发现[8,9]）以及临床试验组织和管理的临床进展[10,11]。
在本综述中，我们旨在全面概述AI在肿瘤学领域的现状和不断发展的格局。我们首先总结主要类型的AI模型和输入数据模态来展开讨论。接下来，我们回顾AI在六个关键领域的最新进展，包括癌症筛查和诊断、精准治疗、癌症监测、药物发现、医疗保健服务以及癌症机制。最后，我们重点介绍了阻碍AI广泛临床整合的主要障碍，并提出了战略性的、可操作的方法来促进这一快速发展领域的未来创新。

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AI模型和数据模态
“人工智能使系统能够从数据中学习、识别模式并做出决策[12]。在肿瘤学中，AI使用多样化的数据模态，包括医学影像、基因组学和临床记录，以应对复杂挑战[13]。”

AI模型的选择取决于数据类型和临床目标[3]。结构化数据如基因组生物标志物和实验室值通常使用经典机器学习模型进行分析，包括逻辑回归和集成方法，用于生存预测或治疗反应等任务[14]。影像数据包括组织病理学和放射学利用深度学习架构如卷积神经网络来提取空间特征，实现肿瘤检测、分割和分级[15]。顺序或文本数据如基因组序列和临床记录采用变换器或循环神经网络来建模长程依赖关系，促进生物标志物发现或电子健康记录挖掘等任务[16]。大型语言模型（如GPT-5）的最新进展增强了从科学文献和临床文本中提取知识的能力，加速了癌症研究中的假设生成。

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⏰ 发布时间: 2025年10月30日

黑色素在皮肤癌中治疗潜力的多尺度计算分析

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【编者按】

黑色素作为一类具有复杂结构的天然多酚化合物，其电子特性与生物功能间的关联正成为前沿研究热点。本文从量子化学视角揭示了黑色素分子特殊的电子可塑性，结合肿瘤研究中转录因子AP2ε对黑色素瘤表型调控的新发现，为理解这类色素在生理病理过程中的双重角色提供了跨学科视角。当基础量子计算研究与临床医学探索相互印证，或将为黑色素相关疾病的诊疗开辟全新路径。

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转录因子激活增强子结合蛋白2ε（AP2ε）调节恶性黑色素瘤的表型可塑性和进展

黑色素是多酚类化合物，具有复杂性和生物相容性。它们在酚类分子经过羟基化、氧化和聚合作用时产生。

量子计算基础研究

密度泛函理论（DFT）和量子描述符分析的初步研究奠定了关键基础，在基本层面上揭示了黑色素的固有反应性和电子可塑性。优化的分子结构以其微妙的极性和显著的可极化性为特征，暗示了其在生物相互作用中疏水和静电相互作用的复杂交织。然而，真正凸显黑色素反应潜力的是其极其狭窄的HOMO-LUMO能隙的揭示。这一量子特征预示着一个准备进行电子转移的分子，能够轻松参与氧化还原过程，并通过电子给予和接受机制与生物实体相互作用。这种固有的电子不稳定性经过精确量化和可视化，为黑色素公认的抗氧化活性及其光吸收能力提供了坚实的理论基础，这两种机制都与其在癌症治疗中的前景直接相关。这些量子见解不仅仅是抽象计算；它们代表了对其内在化学性质及其生物活性固有倾向的深刻理解。

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研究摘要

黑色素是一种在各种生物体中发现的复杂生物色素。黑色素的主要功能是吸收和消散紫外线（UV）辐射，防止阳光的有害影响。本研究对黑色素的电子结构及其与皮肤癌相关蛋白（1P7K、2VCJ和5OTE）的结合倾向进行了计算研究。我们使用了分子对接、结合自由能分析、分子动力学模拟和密度泛函理论进行探索。分析了黑色素的优化几何结构、量子描述符和分子静电势，揭示了其反应性和电子特性。与5FU和配体L1的分子对接研究展示了黑色素与靶蛋白的有前景的结合亲和力。

“分子动力学模拟提供了动态见解，与5FU相比，黑色素表现出更优越的稳定性，这通过较低的RMSD值和一致的RMSF曲线得到证明。”

氢键分析支持了黑色素-蛋白质复合物中的有利相互作用。SASA分析与Rg一致，表明黑色素具有更紧密的结合构象。通过MM-GBSA计算定量证实了黑色素更强的结合亲和力，强调了其作为皮肤癌治疗有前景候选物的潜力。

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“由于采用了结合量子描述符、对接和动态模拟的综合技术，黑色素与皮肤癌蛋白的相互作用得到了全面理解。这为研究和治疗开发开辟了新途径。”
黑色素类型与皮肤癌背景

黑色素的两种主要形式是真黑素和褐黑素，它们在颜色和功能上有所不同。黑色素对于细胞防御机制和环境适应很重要，因为它能吸收活性氧并在对抗紫外线辐射中发挥光保护作用。黑色素具有许多药理学用途，特别是当它来自天然来源如海洋微生物时。
不受控制的皮肤细胞增殖导致被称为皮肤癌的常见且潜在危险的医学疾病。虽然存在各种类型的皮肤癌，但黑色素瘤、鳞状细胞癌和基底细胞癌是最普遍的。这些肿瘤通常出现在暴露在阳光下的皮肤区域，如手、颈部和面部。基底细胞癌通常生长缓慢，很少扩散到身体其他部位，但如果未接受治疗，它可能感染周围组织并导致畸形。鳞状细胞癌极有可能扩散到附近的细胞组织，在某些情况下还会扩散到其他器官。未经治疗的基底细胞癌和鳞状细胞癌可能导致并发症，如广泛的溃疡形成、神经和骨骼损伤以及局部组织破坏。

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“与基底细胞癌和鳞状细胞癌相比，黑色素瘤的发生频率较低，但更具侵袭性，并且扩散的可能性更高。如果黑色素瘤未被及时发现和治疗，它可能扩散到远处的器官和淋巴结，这可能导致潜在的致命后果。”

黑色素瘤向身体其他部位扩散（称为转移）可能影响关键器官，包括大脑、肝脏和肺部。这可能导致严重的健康问题并降低有效治疗的可能性。所有形式的皮肤癌对其受害者造成的心理负担是一个重要的副作用。焦虑、担忧和情绪痛苦是皮肤癌诊断的常见反应。对畸形、复发可能性以及对总体健康影响的担忧可能会加剧心理健康问题。

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⏰ 发布时间: 2025年03月25日

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