伴随的药物给药会引起药物 - 药物相互作用（DDIS）。某些药物组合是有益的，但其他药物组合可能会引起以前未记录的负面影响。以前关于DDI预测的工作通常依赖于手工设计的领域知识，这是努力获得的。在这项工作中，我们提出了一个新型模型，即分子亚结构网络（MSAN），以有效预测药物对分子结构的潜在DDI。我们采用类似变压器的子结构提取模块，以获取与药物分子的各种子结构模式相关的固定代表媒介。然后，两种药物的子结构之间的相互作用强度将由基于相似性的相互作用模块捕获。在图形编码之前，我们还执行一个子结构删除增强，以减轻过度拟合。实际数据集的实验结果表明，我们提出的模型实现了最新的性能。我们还表明，通过案例研究，我们的模型的预测是高度解释的。

药物 - 药物相互作用（DDIS）可能会阻碍药物的功能，在最坏的情况下，它们可能导致不良药物反应（ADR）。预测所有DDI是一个具有挑战性且关键的问题。大多数现有的计算模型都集成了来自不同来源的药物中心信息，并利用它们作为机器学习分类器中的功能来预测DDIS。但是，这些模型有很大的失败机会，尤其是对于所有信息都没有可用的新药。本文提出了一个新型的HyperGraph神经网络（HYGNN）模型，仅基于用于DDI预测问题的任何药物的微笑串。为了捕获药物的相似性，我们创建了从微笑字符串中提取的药物的化学子结构中创建的超图。然后，我们开发了由新型的基于注意力的超图边缘编码器组成的HYGNN，以使药物的表示形式和解码器，以预测药物对之间的相互作用。此外，我们进行了广泛的实验，以评估我们的模型并将其与几种最新方法进行比较。实验结果表明，我们提出的HYGNN模型有效地预测了DDI，并以最大的ROC-AUC和PR-AUC分别超过基准，分别为97.9％和98.1％。

多药物（定义为使用多种药物）是一种标准治疗方法，尤其是对于严重和慢性疾病。但是，将多种药物一起使用可能会导致药物之间的相互作用。药物 - 药物相互作用（DDI）是一种与另一种药物结合时的影响发生变化时发生的活性。 DDI可能会阻塞，增加或减少药物的预期作用，或者在最坏情况下，会产生不利的副作用。虽然准时检测DDI至关重要，但由于持续时间短，并且在临床试验中识别它们是时间的，而且昂贵，并且要考虑许多可能的药物对进行测试。结果，需要计算方法来预测DDI。在本文中，我们提出了一种新型的异质图注意模型Han-DDI，以预测药物 - 药物相互作用。我们建立了具有不同生物实体的药物网络。然后，我们开发了一个异质的图形注意网络，以使用药物与其他实体的关系学习DDI。它由一个基于注意力的异质图节点编码器组成，用于获得药物节点表示和用于预测药物相互作用的解码器。此外，我们利用全面的实验来评估我们的模型并将其与最先进的模型进行比较。实验结果表明，我们提出的方法Han-DDI的表现可以显着，准确地预测DDI，即使对于新药也是如此。

分子特性预测在药物发现中起着基本作用，以鉴定具有目标性质的候选分子。然而，分子特性预测基本上是几次射门问题，这使得难以使用普通机器学习模型。在本文中，我们提出了一个属性感知的关系网络（PAR）来处理此问题。与现有的作品相比，我们利用了不同分子特性的相关子结构和关系的事实。我们首先介绍一个属性感知的嵌入功能，将通用分子嵌入的功能转换为与目标属性相关的子结构感知空间。此外，我们设计了一个自适应关系图学习模块，共同估计了分子关系图和优化分子嵌入W.R.T.目标性质，使得有限标签可以有效地在类似的分子之间繁殖。我们采用元学习策略，其中参数在任务中选择性地更新，以便单独模拟通用和属性感知的知识。基准分子特性预测数据集的广泛实验表明，始终如一地优于现有方法，并可以正确获得性能感知分子嵌入和模型分子关系图。

Ionic Liquids (ILs) provide a promising solution for CO$_2$ capture and storage to mitigate global warming. However, identifying and designing the high-capacity IL from the giant chemical space requires expensive, and exhaustive simulations and experiments. Machine learning (ML) can accelerate the process of searching for desirable ionic molecules through accurate and efficient property predictions in a data-driven manner. But existing descriptors and ML models for the ionic molecule suffer from the inefficient adaptation of molecular graph structure. Besides, few works have investigated the explainability of ML models to help understand the learned features that can guide the design of efficient ionic molecules. In this work, we develop both fingerprint-based ML models and Graph Neural Networks (GNNs) to predict the CO$_2$ absorption in ILs. Fingerprint works on graph structure at the feature extraction stage, while GNNs directly handle molecule structure in both the feature extraction and model prediction stage. We show that our method outperforms previous ML models by reaching a high accuracy (MAE of 0.0137, $R^2$ of 0.9884). Furthermore, we take the advantage of GNNs feature representation and develop a substructure-based explanation method that provides insight into how each chemical fragments within IL molecules contribute to the CO$_2$ absorption prediction of ML models. We also show that our explanation result agrees with some ground truth from the theoretical reaction mechanism of CO$_2$ absorption in ILs, which can advise on the design of novel and efficient functional ILs in the future.

学习表达性分子表示对于促进分子特性的准确预测至关重要。尽管图形神经网络（GNNS）在分子表示学习中取得了显着进步，但它们通常面临诸如邻居探索，不足，过度光滑和过度阵列之类的局限性。同样，由于参数数量大，GNN通常具有较高的计算复杂性。通常，当面对相对大尺寸的图形或使用更深的GNN模型体系结构时，这种限制会出现或增加。克服这些问题的一个想法是将分子图简化为小型，丰富且有益的信息，这更有效，更具挑战性的培训GNN。为此，我们提出了一个新颖的分子图粗化框架，名为FUNQG利用函数组，作为分子的有影响力的构件来确定其性质，基于称为商图的图理论概念。通过实验，我们表明所产生的信息图比分子图小得多，因此是训练GNN的良好候选者。我们将FUNQG应用于流行的分子属性预测基准，然后比较所获得的数据集上的GNN体系结构的性能与原始数据集上的几个最先进的基线。通过实验，除了其参数数量和低计算复杂性的急剧减少之外，该方法除了其急剧减少之外，在各种数据集上的表现显着优于先前的基准。因此，FUNQG可以用作解决分子表示学习问题的简单，成本效益且可靠的方法。

分子财产预测是药物和材料行业的基本任务。从物理上讲，分子的特性取决于其自身的电子结构，可以通过schr \“ odinger方程来精确描述。但是，由于大多数分子的求解schr \“ odinger”方程非常具有挑战性量子多体系统的行为。虽然已证明深度学习方法在分子性质预测中有效，但我们设计了一种新颖的方法，即GEM-2，它全面考虑了分子中的远距离和多体相互作用。 GEM-2由两个相互作用的轨道组成：一个原子级轨道模拟任意两个原子之间的局部和全局相关性，以及一个对所有原子对之间的相关性建模的成对轨道，它们嵌入任何3或4个原子之间的信息。广泛的实验证明了GEM-2在量子化学和药物发现任务中的多种基线方法的优越性。

阐明并准确预测分子的吸毒性和生物活性在药物设计和发现中起关键作用，并且仍然是一个开放的挑战。最近，图神经网络（GNN）在基于图的分子属性预测方面取得了显着进步。但是，当前基于图的深度学习方法忽略了分子的分层信息以及特征通道之间的关系。在这项研究中，我们提出了一个精心设计的分层信息图神经网络框架（称为hignn），用于通过利用分子图和化学合成的可见的无限元素片段来预测分子特性。此外，首先在Hignn体系结构中设计了一个插件功能的注意块，以适应消息传递阶段后自适应重新校准原子特征。广泛的实验表明，Hignn在许多具有挑战性的药物发现相关基准数据集上实现了最先进的预测性能。此外，我们设计了一种分子碎片的相似性机制，以全面研究Hignn模型在子图水平上的解释性，表明Hignn作为强大的深度学习工具可以帮助化学家和药剂师识别出设计更好分子的关键分子，以设计更好的分子，以设计出所需的更好分子。属性或功能。源代码可在https://github.com/idruglab/hignn上公开获得。

刺激：鉴定药物靶标相互作用（DTIS）是药物重新定位的关键步骤。近年来，大量基因组学和药理学数据的积累已经形成了大众药物和目标相关的异构网络（HNS），这提供了开发基于HN的计算模型的新机遇，以准确地预测DTI。 HN意味着许多有关DTI的有用信息，还包含无关的数据，以及如何使最佳的异构网络仍然是一个挑战。结果：在本文中，我们提出了一种基于异构的图形自动元路径学习的DTI预测方法（Hampdti）。 Hampdti从HN自动学习药物和目标之间的重要元路径，并产生元路径图。对于每个元路径图，从药物分子图和靶蛋白序列中学习的特征用作节点属性，然后设计了有效地考虑节点类型信息（药物或目标）的节点类型特定图卷积网络（NSGCN）学习药物和目标的嵌入。最后，组合来自多个元路径图的嵌入式以预测新的DTI。基准数据集的实验表明，与最先进的DTI预测方法相比，我们提出的Hampdti实现了卓越的性能。更重要的是，Hampdti识别DTI预测的重要元路径，这可以解释药物如何与HNS中的目标连接。

协同的药物组合为增强治疗功效和减少不良反应提供了巨大的潜力。然而，由于未知的因果疾病信号通路，有效和协同的药物组合预测仍然是一个悬而未决的问题。尽管已经提出了各种深度学习（AI）模型来定量预测药物组合的协同作用。现有深度学习方法的主要局限性是它们本质上是不可解释的，这使得AI模型的结论是对人类专家的非透明度的结论，因此限制了模型结论的鲁棒性和这些模型在现实世界中的实施能力人类医疗保健。在本文中，我们开发了一个可解释的图神经网络（GNN），该神经网络（GNN）揭示了通过挖掘非常重要的亚分子网络来揭示协同（MOS）的基本基本治疗靶标和机制。可解释的GNN预测模型的关键点是一个新颖的图池层，基于自我注意的节点和边缘池（此后为SANEPOOL），可以根据节点特征和图表计算节点和边缘的注意力评分（重要性）拓扑。因此，提出的GNN模型提供了一种系统的方法来预测和解释基于检测到的关键亚分子网络的药物组合协同作用。我们评估了来自NCI Almanac药物组合筛查数据的46个核心癌症信号通路和药物组合的基因制造的分子网络。实验结果表明，1）Sanepool可以在其他流行的图神经网络中实现当前的最新性能； 2）由SANEPOOOL检测到的亚分子网络是可自我解释的，并且可以鉴定协同的药物组合。

Models that accurately predict properties based on chemical structure are valuable tools in drug discovery. However, for many properties, public and private training sets are typically small, and it is difficult for the models to generalize well outside of the training data. Recently, large language models have addressed this problem by using self-supervised pretraining on large unlabeled datasets, followed by fine-tuning on smaller, labeled datasets. In this paper, we report MolE, a molecular foundation model that adapts the DeBERTa architecture to be used on molecular graphs together with a two-step pretraining strategy. The first step of pretraining is a self-supervised approach focused on learning chemical structures, and the second step is a massive multi-task approach to learn biological information. We show that fine-tuning pretrained MolE achieves state-of-the-art results on 9 of the 22 ADMET tasks included in the Therapeutic Data Commons.

预测药物目标相互作用是药物发现的关键。最近基于深度学习的方法显示出令人鼓舞的表现，但仍有两个挑战：（i）如何明确建模并学习药物与目标之间的局部互动，以更好地预测和解释； （ii）如何从不同分布的新型药物目标对上概括预测性能。在这项工作中，我们提出了Dugban，这是一个深层双线性注意网络（BAN）框架，并适应了域的适应性，以明确学习药物与目标之间的配对局部相互作用，并适应了分布数据外的数据。 Dugban在药物分子图和靶蛋白序列上进行预测的作品，有条件结构域对抗性学习，以使跨不同分布的学习相互作用表示，以更好地对新型药物目标对进行更好的概括。在内域和跨域设置下，在三个基准数据集上进行的实验表明，对于五个最先进的基准，Dugban取得了最佳的总体表现。此外，可视化学习的双线性注意图图提供了可解释的见解，从预测结果中提供了可解释的见解。

分子表示学习有助于多个下游任务，例如分子性质预测和药物设计。为了适当地代表分子，图形对比学习是一个有前途的范式，因为它利用自我监督信号并没有人类注释要求。但是，先前的作品未能将基本域名知识纳入图表语义，因此忽略了具有共同属性的原子之间的相关性，但不通过键连接连接。为了解决这些问题，我们构建化学元素知识图（KG），总结元素之间的微观关联，并提出了一种用于分子代表学习的新颖知识增强的对比学习（KCL）框架。 KCL框架由三个模块组成。第一个模块，知识引导的图形增强，基于化学元素kg增强原始分子图。第二模块，知识意识的图形表示，利用用于原始分子图的公共曲线图编码器和通过神经网络（KMPNN）的知识感知消息来提取分子表示来编码增强分子图中的复杂信息。最终模块是一种对比目标，在那里我们在分子图的这两个视图之间最大化协议。广泛的实验表明，KCL获得了八个分子数据集上的最先进基线的优异性能。可视化实验适当地解释了在增强分子图中从原子和属性中了解的KCL。我们的代码和数据可用于补充材料。

这项工作考虑了在属性关系图（ARG）上表示表示的任务。 ARG中的节点和边缘都与属性/功能相关联，允许ARG编码在实际应用中广泛观察到的丰富结构信息。现有的图形神经网络提供了有限的能力，可以在局部结构环境中捕获复杂的相互作用，从而阻碍他们利用ARG的表达能力。我们提出了Motif卷积模块（MCM），这是一种新的基于基线的图表表示技术，以更好地利用本地结构信息。处理连续边缘和节点功能的能力是MCM比现有基于基础图案的模型的优势之一。 MCM以无监督的方式构建了一个主题词汇，并部署了一种新型的主题卷积操作，以提取单个节点的局部结构上下文，然后将其用于通过多层perceptron学习高级节点表示，并在图神经网络中传递消息。与其他图形学习方法进行分类的合成图相比，我们的方法在捕获结构环境方面要好得多。我们还通过将其应用于几个分子基准来证明我们方法的性能和解释性优势。

Although substantial efforts have been made using graph neural networks (GNNs) for AI-driven drug discovery (AIDD), effective molecular representation learning remains an open challenge, especially in the case of insufficient labeled molecules. Recent studies suggest that big GNN models pre-trained by self-supervised learning on unlabeled datasets enable better transfer performance in downstream molecular property prediction tasks. However, they often require large-scale datasets and considerable computational resources, which is time-consuming, computationally expensive, and environmentally unfriendly. To alleviate these limitations, we propose a novel pre-training model for molecular representation learning, Bi-branch Masked Graph Transformer Autoencoder (BatmanNet). BatmanNet features two tailored and complementary graph autoencoders to reconstruct the missing nodes and edges from a masked molecular graph. To our surprise, BatmanNet discovered that the highly masked proportion (60%) of the atoms and bonds achieved the best performance. We further propose an asymmetric graph-based encoder-decoder architecture for either nodes and edges, where a transformer-based encoder only takes the visible subset of nodes or edges, and a lightweight decoder reconstructs the original molecule from the latent representation and mask tokens. With this simple yet effective asymmetrical design, our BatmanNet can learn efficiently even from a much smaller-scale unlabeled molecular dataset to capture the underlying structural and semantic information, overcoming a major limitation of current deep neural networks for molecular representation learning. For instance, using only 250K unlabelled molecules as pre-training data, our BatmanNet with 2.575M parameters achieves a 0.5% improvement on the average AUC compared with the current state-of-the-art method with 100M parameters pre-trained on 11M molecules.

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

最近，基于深度神经网络（DNN）的药物 - 目标相互作用（DTI）模型以高精度突出显示，具有实惠的计算成本。然而，模型在硅药物发现的实践中仍然是一个具有挑战性的问题。我们提出了两项​​关键策略，以提高DTI模型的概括。首先是通过用神经网络参数化的物理通知方程来预测原子原子对相互作用，并提供蛋白质 - 配体复合物作为其总和的总结合亲和力。通过增强更广泛的绑定姿势和配体来培训数据，我们进一步改善了模型泛化。我们验证了我们的模型，PIGNET，在评分职能（CASF）2016的比较评估中，展示了比以前的方法更优于对接和筛选力。我们的物理信息策略还通过可视化配体副结构的贡献来解释预测的亲和力，为进一步配体优化提供了见解。

药物建议是医疗保健的AI的重要任务。现有作品的重点是仅根据其电子健康记录，为具有复杂健康状况的患者推荐药物组合。因此，它们具有以下局限性：（1）在建议过程中尚未使用一些重要数据，例如药物分子结构。 （2）对药物 - 药物相互作用（DDI）进行隐式建模，这可以导致亚最佳结果。为了解决这些局限性，我们提出了一个名为SAFEDRUG的DDI可控制的药物建议模型，以明确利用药物的分子结构和DDIS模型。 SAFEDRUG配备了全球消息传递神经网络（MPNN）模块和局部两部分学习模块，以完全编码药物分子的连通性和功能。 SAFEDRUG还具有可控的损失函数，可有效地控制建议的药物组合中的DDI水平。在基准数据集中，我们的SAFEDRUG相对显示可将DDI降低19.43％，并在推荐和实际规定的药物组合之间在以前的方法上的JACCARD相似性提高了2.88％。此外，SAFEDRUG还需要比以前的基于深度学习的方法更少的参数，从而使推理的训练更快约为14％，速度约为2倍。

变压器架构已成为许多域中的主导选择，例如自然语言处理和计算机视觉。然而，与主流GNN变体相比，它对图形水平预测的流行排行榜没有竞争表现。因此，它仍然是一个谜，变形金机如何对图形表示学习表现良好。在本文中，我们通过提出了基于标准变压器架构构建的Gragemer来解决这一神秘性，并且可以在广泛的图形表示学习任务中获得优异的结果，特别是在最近的OGB大规模挑战上。我们在图中利用变压器的关键洞察是有效地将图形的结构信息有效地编码到模型中。为此，我们提出了几种简单但有效的结构编码方法，以帮助Gramemormer更好的模型图形结构数据。此外，我们在数学上表征了Gramemormer的表现力，并展示了我们编码图形结构信息的方式，许多流行的GNN变体都可以被涵盖为GrameRormer的特殊情况。

由于肿瘤的异质性，在个性化的基础上预测抗癌药物的临床结局在癌症治疗中具有挑战性。已经采取了传统的计算努力来建模药物反应对通过其分子概况描绘的单个样品的影响，但由于OMICS数据的高维度而发生过度拟合，因此阻碍了临床应用的模型。最近的研究表明，深度学习是通过学习药物和样品之间的学习对准模式来建立药物反应模型的一种有前途的方法。但是，现有研究采用了简单的特征融合策略，仅考虑了整个药物特征，同时忽略了在对齐药物和基因时可能起着至关重要的作用的亚基信息。特此在本文中，我们提出了TCR（基于变压器的癌症药物反应网络），以预测抗癌药物反应。通过利用注意机制，TCR能够在我们的研究中有效地学习药物原子/子结构和分子特征之间的相互作用。此外，设计了双重损耗函数和交叉抽样策略，以提高TCR的预测能力。我们表明，TCR在所有评估矩阵上（一些具有显着改进）的各种数据分裂策略下优于所有其他方法。广泛的实验表明，TCR在独立的体外实验和体内实际患者数据上显示出显着提高的概括能力。我们的研究强调了TCR的预测能力及其对癌症药物再利用和精度肿瘤治疗的潜在价值。