鄭州大學(xué)張響/李倩教授團隊丨使用機器學(xué)習(xí)算法預(yù)測冷凍生物打印中冷凍保護劑的效果

來源： 生物設(shè)計與制造BDM

本研究論文聚焦于冷凍生物打印中冷凍保護劑的配方及其性能預(yù)測研究。利用機器學(xué)習(xí)算法，以細(xì)胞存活率為指標(biāo)，預(yù)測不同配方的冷凍保護劑的性能。冷凍生物打印將擠出式生物打印與冷凍保存相結(jié)合，具有解決傳統(tǒng)生物打印缺乏貨架可用性問題的巨大潛力。為了保證細(xì)胞在冷凍狀態(tài)下的活性，同時避免二甲基亞砜(DMSO)可能產(chǎn)生的毒性，無DMSO的生物墨水設(shè)計是冷凍生物打印的關(guān)鍵。然而，開發(fā)通用和高效的生物墨水需要大量的實驗。本研究首先通過實驗比較了兩種常用的冷凍保護劑（CPA）配方。結(jié)果表明，乙二醇作為滲透性CPA的效果比甘油的保護性能好6.07%。隨后建立了兩個數(shù)據(jù)集和四個不同的機器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測實驗結(jié)果。比較了多元線性回歸(MLR)、決策樹(DT)、隨機森林(RF)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法的預(yù)測能力，其順序為ANN>RF>DT>MLR。然后將所建立的ANN模型應(yīng)用于另一個數(shù)據(jù)集。結(jié)果表明，使用機器學(xué)習(xí)算法可以準(zhǔn)確預(yù)測由不同CPA組成的生物墨水的效果。此外，本研究提出的方法具有泛化性，有望加快用于冷凍生物打印的生物墨水的研究和發(fā)展。

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圖1 使用機器學(xué)習(xí)算法預(yù)測冷凍保護劑效果的實驗原理圖

圖2 乙二醇和甘油組的細(xì)胞存活率的分布。每組包含48個樣品，每個樣品的乙二醇/甘油和糖的濃度都不同

圖3 使用多元線性回歸算法的預(yù)測結(jié)果。(a) 第1天預(yù)測和觀察到的細(xì)胞存活率；(b) 第7天預(yù)測和觀察到的細(xì)胞存活率；(c) 第15天預(yù)測和觀察到的細(xì)胞活力；(d) 各變量在MLR預(yù)測模型中的重要性

圖4 使用決策樹、隨機森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測結(jié)果

圖5 機器學(xué)習(xí)模型的預(yù)測誤差分布。(a) 不同機器學(xué)習(xí)模型在數(shù)據(jù)集1的測試集上的平均絕對誤差分布；(b) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)集2的測試集上的平均絕對誤差分布