整合多组学分析+生物医学发现!对话式多智能体AI

摘要

单细胞与空间组学技术为解析疾病机制带来前所未有的机遇,但该过程需要专家团队反复试错,并跨多种模态开展推理。本文提出对话式系统LungChat,用于整合多组学分析与生物医学发现。系统采用层级化多智能体架构:由监督智能体将自然语言问题拆解为并行、依托工具执行的任务,覆盖单细胞与空间组学分析、文献与临床试验信息整合、药物重定位。为预测新型治疗手段,LungChat实现方向感知重定位与靶点挖掘算法DART,可在细胞类型层面区分能够逆转疾病转录程序、以及会加重疾病表型的扰动,以此实现安全性预测。

受控的架构消融实验表明:层级任务调度可以提升模型「自知无法回答则拒绝输出」的能力、降低token消耗,并且在复杂多步骤任务上维持优异性能。

在肺部疾病案例研究中,LungChat通过药物关联筛选,独立将萨拉卡替尼(saracatinib)列为特发性肺纤维化(IPF)候选药物,后续再经由DART开展细胞层面分析;该化合物已经进入STOP‑IPF临床试验(NCT04598919)。系统还通过完整调度分析,筛选出已经成熟用于慢性阻塞性肺疾病(COPD)的治疗药物丙酸氟替卡松。

本系统不局限于单一组织,为构建可核验的智能体AI系统提供范式,支撑可复现的科学发现。

https://chat.lungmap.net

pankaj.rajdeo@cchmc.org

bruce.aronow@cchmc.org

nathan.salomonis@cchmc.org

#对话式多智能体 #整合多组学 #单细胞组学 #空间组学 #药物重定位 #生物医学发现 #工具增强大模型 #可复现分析

结果

跨多组学与生物医学知识的协同多智能体分析

图1 LungChat系统架构与工作流

集成对话式AI与多组学分析的层级化多智能体系统。监督智能体调度4个专业化子智能体(单细胞、空间组学、研究、图谱智能体);子智能体访问整理好的数据仓库(单细胞RNA‑seq、空间转录组、药物化合物、调控网络、文献),产出可直接用于论文发表的可视化图表、可供检验的科学假说、治疗靶点预测、可复现分析工作流。系统支持迭代式科学工作流(定义问题→探索数据→整合证据→生成假说→测试优化),具备长期记忆与MCP可扩展基础设施,用于适配新增工具。

基准测试与架构消融实验

图2 5大赛道架构消融评测

共计1,080次评估

(a) 4种消融配置下单步查询任务性能(50查询×3重复×4模式,合计600次评估);

(b) 3个评测赛道下每条查询平均token消耗量,数值越低越好;

(c) 安全评测「自知不能回答就拒绝输出」指标(17查询×3重复×4模式,合计204次评估),多智能体配置拦截非法工具调用率提升35.3个百分点;

(d) 多工具调度、拆解压力测试结果(20查询×3重复×2模式,合计120次评估),证明复杂任务上不同架构性能相当。

细胞类型分辨的治疗优先级排序与机制探究

图3 肺纤维化的治疗靶点与药物自动优先级排序

(a) LungChat并行多智能体编排,由监督智能体完成任务分派。

(b) 可复现工作流的规划与任务拆解。

(c) 肺纤维化肺泡成纤维细胞中上调、下调基因的排序。

(d) 利用ToppGene做基因集富集分析,识别肺纤维化中已知的可药物作用通路。

(e) 纤维化标志物的空间转录组定位。

(f) 依据细胞类型空间邻近度对受体‑配体相互作用进行排序,对比肺纤维化组与对照组(Xenium平台)的细胞‑细胞通讯强度。

(g) 结合DART细胞类型安全性分析开展药物重定位:萨拉卡替尼被识别为最优候选药物;脱靶监测识别出杯状细胞与神经内分泌细胞。

图4 解析新型疗法的调控机制与细胞作用靶点

(a) 任务规划与拆解,明确LPAR1抑制剂在肺纤维化中的多种作用机制。

(b) 在iLINCS数据库中筛选具备体外基因表达应答数据的LPAR1抑制剂。

(c) Xenium与Visium‑HD平台下LPAR1的空间分布对比(同张组织切片,由空间组学智能体完成分析)。

(d) LPAR1在成人健康肺细胞群中的表达水平与细胞占比(HLCA数据库,单细胞智能体完成分析)。

(e) DART预测受影响最显著的肺部疾病、检测技术以及发育相关扰动(组学数据仓库);给出体外LPAR激动剂处理(iLINCS)条件下,上述扰动被逆转或是进一步加剧的预测结果。

(f) 基于已注释转录因子(TF)靶点与通路相互作用(NetPerspective)推导得到的基因调控网络;高亮标注关键转录因子节点以及经ToppGene注释的TGF‑β信号响应基因。

调控机制评估

表1 LungChat的数据资源与系统覆盖范围

数据

人肺细胞图谱第2版(Human Lung Cell Atlas v2)数据集存放于CELLxGENE,检索号

6f6d381a‑7701‑4781‑935c‑db10d30de293

胎儿肺细胞图谱数据集存放于CELLxGENE,检索号

2d2e2acd‑dade‑489f‑a2da‑6c11aa654028

LungMAP联盟的其他数据集检索号

LMEX0000004400、LMEX0000004401

空间转录组数据存放于基因表达综合数据库Gene Expression Omnibus,GEO检索号GSE276945,包含子样本GSM8505452

详细总结

思维导图

论文基础信息

5大智能体分工

DART:方向感知药物重定位与靶点算法

本文核心新方法

系统消融实验

多智能体vs扁平单智能体

案例1:特发性肺纤维化IPF

肺纤维化

案例2:慢性阻塞性肺病COPD

与同类生物对话Agent横向对比

参考

A Conversational Multi-Agent AI System for Integrated Multi-Omics Analysis and Biomedical Discovery

https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.08.743577v1

注:AI辅助创作,如有不当欢迎指出。内容仅供参考,不构成任何建议。

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