Chainerで簡単なQSARモデルを試してみる【化合物の血液脳関門透過性を予測する】

2020年3月2日

QSAR（定量的構造活性相関：Quantitative Structure-Activity Relationship）とは、化学物質の構造とその生理活性（毒性・酵素への結合能・医薬品としての作用性など）の統計的な相関関係のことをいいます。膨大な化学物質の実験データセットをもとにした相関から化合物の性能を予測することができます。

今回は日本製のディープラーニングフレームワークであるChainerを用いて「化合物の血液脳関門透過性を予測する」簡単なQSARモデルが作成し、テストセットに対する性能を検証してみます。

予測対象とデータ

データには、MoleculeNetのBBBPを利用。データの俯瞰は以前に実施した以下を参照。

化合物の血液脳関門透過性について「透過性あり（penetration）」を１、「透過性なし（non-penetration）」を０でまとめたデータになります。

モデルの作成

環境

from rdkit import rdBase
import chainer
print('rdkit version: ',rdBase.rdkitVersion)
chainer.print_runtime_info()
rdkit version:  2019.03.4
Platform: Linux-5.0.0-37-generic-x86_64-with-debian-buster-sid
Chainer: 6.2.0
NumPy: 1.17.4
CuPy:
  CuPy Version          : 6.2.0
  CUDA Root             : /usr/local/cuda
  CUDA Build Version    : 10010
  CUDA Driver Version   : 10010
  CUDA Runtime Version  : 10010
  cuDNN Build Version   : 7500
  cuDNN Version         : 7605
  NCCL Build Version    : 2402
  NCCL Runtime Version  : 2402
iDeep: Not Available

chainer.print_runtime_info()で使用しているChainer、Numpy、Cupyのバージョンを確認できます。

モデル構築

import numpy as np
import pandas as pd
from rdkit import Chem
from rdkit.Chem import Draw, PandasTools, Descriptors
　
# データの読み込み
df = pd.read_csv('BBBP.csv',index_col=0)
　
# smilesからmolファイルを生成し、データフレーム中に加える
PandasTools.AddMoleculeColumnToFrame(df, smilesCol = 'smiles')
　
# molができなかった行を削除する
df = df.dropna()
　
# molファイルから化合物記述子を算出する
for i,j in Descriptors.descList:
    df[i] = df['ROMol'].map(j)
df['Ipc'] = [Descriptors.Ipc(mol, avg=True) for mol in df['ROMol']]  
　
#　chainer用にデータ型を変換
x = df.iloc[:,4:].values.astype('float32')
y = df['p_np'].values.astype('int32')
indices = np.array(range(x.shape[0])) # train_test_split後も列番号を保持しておく
　
# train, test, valに分割
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train, x_test, y_train, y_test, indices_train, indices_test = train_test_split(x, y, indices, test_size=0.05, random_state=123)
　
# 説明変数の標準化
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
scaler = StandardScaler()
scaler.fit(x_train)
x_train= scaler.transform(x_train)
x_test = scaler.transform(x_test)
　
print(type(x_train), x_train.shape, type(y_train), y_train.shape)
print(type(x_test), x_test.shape, type(y_test), y_test.shape)
<class 'numpy.ndarray'> (1937, 200) <class 'numpy.ndarray'> (1937,) 
<class 'numpy.ndarray'> (102, 200) <class 'numpy.ndarray'> (102,)

molオブジェクトからの記述子作成についてはこちらを参照。
SMILESから分子記述子とフィンガープリントを算出して、データフレームに格納する【Python, RDKit】

Chainerの基本的な使い方は公式チュートリアルが非常に充実しています。
ディープラーニング入門　Chainer チュートリアル

#　説明変数と目的変数のセットで使えるように変換する
from chainer.datasets import TupleDataset
train = TupleDataset(x_train, y_train)
test = TupleDataset(x_test, y_test)
　
# イテレータの準備
from chainer.iterators import SerialIterator
train_iter = SerialIterator(train, batch_size=64, repeat=True, shuffle=True)
test_iter = SerialIterator(test, batch_size=64, shuffle=False, repeat=False)
　
# ニューラルネットワークの作成
# ３層のmulti layer perceptron（MLP）
import chainer.links as L
import chainer.functions as F
from chainer import Chain
from chainer import optimizers, training
from chainer.training import extensions

class MLP(chainer.Chain):
　
    def __init__(self):
        super().__init__()
        with self.init_scope():
            self.fc1 = L.Linear(None, 100)
            self.fc2 = L.Linear(None, 20)
            self.fc3 = L.Linear(None, 2)
　
    def forward(self, x):
        h = F.relu(self.fc1(x))
        h = F.relu(self.fc2(h))
        h = self.fc3(h)
        return h
　
# ネットワークをClassifierでラップしする
# （目的関数（デフォルトはsoftmax交差エントロピー）の計算し、損失を返す）
predictor = MLP()
net = L.Classifier(predictor)
　
# 最適化手法を選択して、オプティマイザを作成する
optimizer = optimizers.MomentumSGD(lr=0.1).setup(net)
　
# アップデータにイテレータとオプティマイザを渡す
updater = training.StandardUpdater(train_iter, optimizer, device=-1)
trainer = training.Trainer(updater, (50, 'epoch'), out='/results/')
from chainer.training import extensions
　
trainer.extend(extensions.LogReport(trigger=(5, 'epoch'), log_name='log'))
trainer.extend(extensions.snapshot(filename='snapshot_epoch-{.updater.epoch}'))
trainer.extend(extensions.dump_graph('main/loss'))
trainer.extend(extensions.Evaluator(test_iter, net, device=-1), name='val')
trainer.extend(extensions.PrintReport(['epoch', 'iteration', 'main/loss', 'main/accuracy', 'val/main/loss', 'val/main/accuracy', 'fc1/W/data/mean', 'elapsed_time']))
trainer.extend(extensions.PlotReport(['fc1/W/grad/mean'], x_key='epoch', file_name='mean.png'))
trainer.extend(extensions.PlotReport(['main/loss', 'val/main/loss'], x_key='epoch', file_name='loss.png'))
trainer.extend(extensions.PlotReport(['main/accuracy', 'val/main/accuracy'], x_key='epoch', file_name='accuracy.png'))
trainer.extend(extensions.ParameterStatistics(net.predictor.fc1, {'mean': np.mean}, report_grads=True))
　
trainer.run()
from IPython.display import Image, display
display(Image(filename='results/accuracy.png'))

それなりの精度は出ていそうですが、学習が進んでもテストセットに対するaccuracyがあまり改善していっていない…

推論

# 学習したモデルで推論してみる
with chainer.using_config('train', False), chainer.using_config('enable_backprop', False):
    y_pred = predictor(x_test)
　
# 推論結果の確認
print('accuracy', F.accuracy(y_pred, y_test))　#　accuracy variable(0.88235295)
　
from sklearn.metrics import confusion_matrix
confusion_matrix(y_test, y_pred.data.argmax(axis=1))
 array([[21,  7],
       [ 5, 69]])

accuracyは図からもわかる通りの値。混同行列でクラス分類の精度を評価してみると偽陽性、偽陰性もありますが、一方に偏った分類で精度を稼いでるわけでもなさそう。

# 一部予測結果を見てみる
for i in range(int(len(y_pred)/10)):
    print('No.', indices_test[i])
    print('label:', y_test[i])
    print('pred :', np.argmax(y_pred[i].array))
    img = Draw.MolToImage(df.ROMol[indices_test[i]])
    display(img)

画像は出力の一部ですが、人目でも判別できそうなのはちゃんと正解できています。間違えたのを精査するのも楽しそうです。

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