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Learning size-adaptive molecular substructures for explainable drug–drug interaction prediction by substructure-aware graph neural network

下部结构 人工神经网络 药品 计算机科学 图形 钥匙(锁) 药物与药物的相互作用 一般化 人工智能 模式识别(心理学) 机器学习 理论计算机科学 数学 药理学 工程类 生物 结构工程 数学分析 计算机安全
作者
Ziduo Yang,Weihe Zhong,Qiujie Lv,Calvin Yu‐Chian Chen
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (29): 8693-8703 被引量:30
标识
DOI:10.1039/d2sc02023h
摘要

Drug-drug interactions (DDIs) can trigger unexpected pharmacological effects on the body, and the causal mechanisms are often unknown. Graph neural networks (GNNs) have been developed to better understand DDIs. However, identifying key substructures that contribute most to the DDI prediction is a challenge for GNNs. In this study, we presented a substructure-aware graph neural network, a message passing neural network equipped with a novel substructure attention mechanism and a substructure-substructure interaction module (SSIM) for DDI prediction (SA-DDI). Specifically, the substructure attention was designed to capture size- and shape-adaptive substructures based on the chemical intuition that the sizes and shapes are often irregular for functional groups in molecules. DDIs are fundamentally caused by chemical substructure interactions. Thus, the SSIM was used to model the substructure-substructure interactions by highlighting important substructures while de-emphasizing the minor ones for DDI prediction. We evaluated our approach in two real-world datasets and compared the proposed method with the state-of-the-art DDI prediction models. The SA-DDI surpassed other approaches on the two datasets. Moreover, the visual interpretation results showed that the SA-DDI was sensitive to the structure information of drugs and was able to detect the key substructures for DDIs. These advantages demonstrated that the proposed method improved the generalization and interpretation capability of DDI prediction modeling.

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