基于Stacking算法與多數(shù)據(jù)源的有效藥物組合

朱永先

摘 要：對(duì)于癌癥、心血管疾病等復(fù)雜疾病，采取組合用藥克服耐藥性和改善功效已成為標(biāo)準(zhǔn)治療方案。鑒定藥物組合標(biāo)準(zhǔn)的方法是進(jìn)行體內(nèi)或體外藥物篩選實(shí)驗(yàn)，但這一過程很緩慢，代價(jià)高昂。各種高通量組學(xué)技術(shù)產(chǎn)生度量藥物效應(yīng)的各層次數(shù)據(jù)，使得從計(jì)算角度挖掘數(shù)據(jù)進(jìn)而預(yù)測(cè)有效藥物組合成為主流手段。針對(duì)有效藥物組合的預(yù)測(cè)模型大多是利用單一機(jī)器學(xué)習(xí)模型建模。為獲得更高的精度，提出一種新的有效藥物組合預(yù)測(cè)方法。該方法充分利用5種不同層次的藥物信息構(gòu)建相似性特征，特別引入藥物靶標(biāo)的序列信息和功能信息，基于Stacking算法融合多個(gè)傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型和最新的集成學(xué)習(xí)模型LightGBM。實(shí)驗(yàn)表明，該方法預(yù)測(cè)的AUC值為0.953，精度比單一機(jī)器學(xué)習(xí)模型有顯著提升。

關(guān)鍵詞：藥物組合;模型融合;基分類器;預(yù)測(cè)方法;相似性特征

DOI：10. 11907/rjdk. 191508 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP306文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0100-05

英標(biāo)：Effective Drug Combination Based on Stacking Algorithm and Multi-data Source

英作：ZHU Yong-xian

英單：（Business School， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai? 200093， China）

Abstract： For complex diseases such as cancer and cardiovascular diseases， it has become a standard treatment to use combination drugs to overcome drug resistance and improve efficacy. The method for identifying drug combination criteria is through in vivo or in vitro drug screening experiments， but this process is expensive and slow. Various high-throughput omics techniques produce data at various levels that measure drug effects， making it a mainstream and effective means of mining data from a computational perspective to predict effective drug combinations. Most of the current predictive models for effective drug combinations are modeled using a single machine learning model. In order to obtain a better prediction rate， this paper proposes a new effective drug combination prediction method. The method makes full use of five different levels of drug information to construct similarity features， especially the introduction of sequence information and functional information of drug targets. Based on the Stacking algorithm， multiple traditional machine learning models and the latest integrated learning model LightGBM are combined. Finally， the AUC value of the prediction result of this method is as high as 0.953， and the precision is significantly improved compared with the single machine learning model.

Key Words： drug combination; model fusion; base classifier; prediction method; similarity feature

0 引言

組合用藥指兩種或多種有效藥物成分組合在一起，共同治療某種疾病。在治療癌癥和心血管疾病時(shí)，組合用藥比單藥治療效果更好。藥物組合的多種成分會(huì)同時(shí)作用多種不同靶蛋白，能更好地避免復(fù)雜疾病所涉及的反饋機(jī)制，即提高復(fù)雜疾病的治療效果并降低副作用，這是一種非常有前景的治療策略[1-5]。然而，考慮藥物之間所有的可能匹配，經(jīng)實(shí)驗(yàn)篩選新的藥物組合是不切實(shí)際的[6]。隨著各種組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，積累了大量生物學(xué)數(shù)據(jù)，運(yùn)用生物信息學(xué)和計(jì)算工具，挖掘并整合這些數(shù)據(jù)中相互關(guān)聯(lián)信息，從中篩選出有效的藥物組合，既符合成本效益，又節(jié)約人力時(shí)間[7]。當(dāng)然，現(xiàn)有大多數(shù)方法都是為了預(yù)測(cè)兩種藥物的協(xié)同效應(yīng)，因?yàn)槿N藥物組合效應(yīng)在技術(shù)上難以預(yù)測(cè)，缺乏模型評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

有效藥物組合預(yù)測(cè)研究近年取得了不俗成果。模型的特征數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括藥物的生物學(xué)信息（靶蛋白，pathway）、化學(xué)信息、藥理學(xué)信息;動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括基因表達(dá)數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)（PPI）。Sun等[8]運(yùn)用基因表達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建生物學(xué)特征，利用支持向量機(jī)及樸素貝葉斯分類器預(yù)測(cè)有效藥物組合;Li等[9]基于生物學(xué)信息和基因表達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建生物分子網(wǎng)絡(luò)，利用隨機(jī)森林算法預(yù)測(cè)有效藥物組合;Preuer[10]等使用化學(xué)信息和基因表達(dá)數(shù)據(jù)作為輸入，利用深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)有效藥物組合。Xu等[11]整合生物學(xué)、化學(xué)及藥理學(xué)信息，運(yùn)用隨機(jī)梯度提升算法預(yù)測(cè)藥物組合。

結(jié)合藥物的動(dòng)靜數(shù)據(jù)構(gòu)建特征，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行有效組合預(yù)測(cè)效果突出，但這些預(yù)測(cè)方法大多使用單一的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。為了增強(qiáng)模型的魯棒性，提升預(yù)測(cè)精度，本文應(yīng)用Stacking算法融合主流且強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建藥物組合預(yù)測(cè)模型。對(duì)于特征的構(gòu)建，除利用常用藥物動(dòng)靜態(tài)信息外，還深入挖掘藥物靶標(biāo)信息，引入靶標(biāo)的序列信息和功能（Go Term）信息。

1 Stacking模型融合算法

1.1 Stacking簡(jiǎn)介

Stacking（堆疊）是Wolpert[12]于1992年在“Staked Generalization”論文中提出的一種集成學(xué)習(xí)算法。不同于bagging和boosting采用相同的分類算法訓(xùn)練單個(gè)學(xué)習(xí)器[13-14]，Stacking能夠組合來自多個(gè)預(yù)測(cè)基模型的結(jié)果信息生成新模型，是一種特殊的組合策略。通常Stacking模型融合可以突出效果好的基模型，同時(shí)抹黑執(zhí)行效果不佳的基模型，所以預(yù)測(cè)效果優(yōu)于單個(gè)模型。特別當(dāng)基模型顯著不同時(shí)，堆疊是最有效的。

Stacking將基模型的輸出結(jié)果作為新特征輸入到其它模型中，這種方法實(shí)現(xiàn)了模型的堆疊，即以第一層的模型輸出作為第二層模型的特征輸入，第二層模型的輸出作為第三層模型的特征輸入，依此類推，最后一層模型輸出的結(jié)果作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果，最后訓(xùn)練出精準(zhǔn)、穩(wěn)健、魯棒的模型。Stacking一般為兩層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2 Stacking選擇

本文綜合應(yīng)用藥物生物學(xué)、化學(xué)、藥理學(xué)等多方面信息構(gòu)建藥物組合特征，提升有效藥物組合的預(yù)測(cè)精度。運(yùn)用Stacking算法融合主流且具有顯著差異的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過組合幾種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)組成一個(gè)預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到減小方差、偏差和提升預(yù)測(cè)精度的效果。研究選用邏輯回歸（LR）、隨機(jī)森林（Random Frost）、K-近鄰算法（KNN）和高效梯度提升決策樹（LightGBM）4個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行Stacking融合。

1.3 基分類器

Stacking模型融合需要多個(gè)基分類器構(gòu)成差異化，根據(jù)Stacking的特性本文選用以下4個(gè)基分類器。

1.3.1 隨機(jī)森林

隨機(jī)森林算法（Random Frost）是基于Bagging 集成學(xué)習(xí)理論的代表算法，由Leo Breiman[15]于2001提出。主要思想是從給定的數(shù)據(jù)集 K 中隨機(jī)抽取 m 個(gè)樣本用以生成新的訓(xùn)練樣本集合，然后根據(jù)新的訓(xùn)練樣本集生成 m 個(gè)決策樹，同時(shí)這m個(gè)決策樹為了避免過擬合，不進(jìn)行后剪枝處理，單個(gè)分類結(jié)果按各個(gè)決策樹投票多少形成的分?jǐn)?shù)決定。一棵決策樹的分類能力可能很小，但在隨機(jī)產(chǎn)生大量決策樹并組成隨機(jī)森林后，m個(gè)樣品都逐一通過一棵樹分類決策，最后組合的結(jié)果將更接近于正確分類。隨機(jī)森林通過在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處隨機(jī)選擇特征進(jìn)行分支，每棵分類樹之間的相關(guān)性得到最小化，故對(duì)多元共線性不敏感，這樣就提高了分類的精確性及抗噪聲能力。

1.3.2 K-近鄰算法

K-近鄰算法（KNN）是基于實(shí)例的代表算法，1968年由Cover & Hart[16]提出，是一種用于分類和回歸的無母數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，主要思想是通過測(cè)量不同特征值之間的距離進(jìn)行分類。如果一個(gè)樣本在特征空間中的k個(gè)最相似（特征空間中最鄰近）的樣本中的大多數(shù)屬于某一個(gè)類別，則該樣本也屬于這個(gè)類別。KNN 方法雖然依賴于極限定理，但在類別決策時(shí)只與極少量的相鄰樣本有關(guān)。KNN算法中，所選擇的鄰居都是已經(jīng)正確分類的對(duì)象。該方法在定類決策上只依據(jù)最鄰近的一個(gè)或幾個(gè)樣本的類別決定待分樣本所屬的類別。

1.3.3 邏輯回歸

邏輯回歸（LR）是回歸算法的代表，由統(tǒng)計(jì)學(xué)家David Cox[17]于1958年開發(fā)。它是廣義線性模型的特殊應(yīng)用，是一個(gè)二分類問題預(yù)測(cè)方法。LR使用 Sigmod 函數(shù)作為預(yù)測(cè)函數(shù)，估計(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果概率 P（y | x）的大小。如果 P > 0.5則認(rèn)為屬于正類別，否則屬于負(fù)類別。在有效藥物組合預(yù)測(cè)問題中，Sigmod函數(shù)的輸出就是每對(duì)藥物組合是否有效的概率值，大小取值在 0-1 之間。Logistic 模型在訓(xùn)練階段，通過隨機(jī)梯度下降法（SGD）不斷最小化預(yù)測(cè)函數(shù)誤差以提高模型的泛化能力。為避免模型陷入過擬合，在損失函數(shù)上采用相應(yīng)的正則化方式，以緩解模型的過擬合程度。

1.3.4 高效梯度提升決策樹

高效梯度提升決策樹（LightGBM）是基于GBDT 樹和Boosting 算法的分布式機(jī)器學(xué)習(xí)框架。LightGBM 是微軟DMTK 團(tuán)隊(duì)2016年的開源項(xiàng)目，為Gradient Boosting（GBDT） 算法的改進(jìn)版本[18]。其中 GBDT 算法的思想是將弱分類算法提升為強(qiáng)分類算法，從而在一定程度上提高分類準(zhǔn)確率。LightGBM中的決策樹子模型采用按葉子分裂的方法分裂節(jié)點(diǎn)，因此它的計(jì)算代價(jià)較小。也正是因?yàn)檫x擇了這種分裂方式，需要控制樹的深度和每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的最小數(shù)據(jù)量，從而避免過擬合現(xiàn)象發(fā)生。LightGBM 選擇基于Histogram的決策樹算法，將特征值分為很多個(gè)小 “桶”，進(jìn)而在這些 “桶”上尋找分裂，這樣可以降低儲(chǔ)存成本和計(jì)算成本。LightGBM與目前最為強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)模型XGBoost相比，速度更快、內(nèi)存占用更少、準(zhǔn)確率更高，所以本研究選取其作為最后一層的分類器。

2 特征工程

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文有效藥物組合數(shù)據(jù)來自Drug Combination Database（DCDB，version 2.0）[19]（http：//www.cls.zju.edu.cn/dcdb/），最新版本的DCDB收集了1 363種藥物組合（330份批準(zhǔn)和1 033份研究，包括237份無效用法），涉及904種個(gè)體藥物，805種靶標(biāo)。將946種成對(duì)藥物組合作為研究對(duì)象，通過爬蟲技術(shù)爬取DrugBank數(shù)據(jù)庫得到單藥的二維分子結(jié)構(gòu)信息、靶標(biāo)信息、ATC編碼信息[20]，其中各個(gè)靶標(biāo)的序列信息和Go Term信息分別下載自Uniprot與STRING數(shù)據(jù)庫。如果一種藥物以上信息不全，其涉及的藥物組合將被刪除。通過篩選，共留下358對(duì)藥物組合。根據(jù)DCDB提供的藥物組合清單信息，358對(duì)藥物組合有效的有317對(duì)，無效的41對(duì)，故獲得標(biāo)準(zhǔn)正樣本317份，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)樣本41份。

2.2 特征構(gòu)建

通過整合藥物的二維分子結(jié)構(gòu)信息、藥物ATC編碼信息、蛋白質(zhì)相互作用、藥物靶標(biāo)序列信息和Go Term信息，構(gòu)建5個(gè)不同層次的藥物組合特征。

2.2.1 二維分子結(jié)構(gòu)相似性特征

本文應(yīng)用軟件RDKit計(jì)算兩個(gè)藥物小分子之間的相似度。 RDKit是一款免費(fèi)開源的化學(xué)信息學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，提供了C++和Python的API，利用Python腳本很容易計(jì)算多個(gè)分子或構(gòu)象之間的接近程度。首先利用獲取的各個(gè)藥物分子二維結(jié)構(gòu)信息（SMILES），調(diào)用RDKit計(jì)算出對(duì)應(yīng)的二維 MACCS 分子指紋[21]，然后用谷本系數(shù)（Tanimoto）計(jì)算兩種藥物二維 MACCS 分子指紋相似度。藥物[Di]和[Dj]的Tanimoto系數(shù)定義如下：

式（1）中，[Mi]和[Mj]分別代表藥物[Di]、[Dj]的二維 MACCS 分子指紋。

2.2.2 ATC編碼相似性特征

ATC編碼是解剖治療學(xué)及化學(xué)分類系統(tǒng)編碼，可以代表藥物的療效信息。ATC編碼共有7位，其中第1、4、5位為字母，第2、3、6、7位為數(shù)字。 ATC系統(tǒng)將藥物分為5個(gè)級(jí)別：ATC編碼第1級(jí)為一位字母，表示解剖學(xué)上的分類，共有14個(gè)組別;ATC編碼第2級(jí)為兩位數(shù)字，表示治療學(xué)上的分類;ATC編碼第3級(jí)為一位字母，表示藥理學(xué)上的分類;ATC編碼第4級(jí)為一位字母，表示化學(xué)上的分類;ATC編碼第5級(jí)為兩位數(shù)字，表示化合物上的分類。兩種藥物成分的第 K 級(jí)藥物療效相似性定義如下：

在此， ATC 編碼在第 N 級(jí)水平上表示為[ATCN（Di）]，極少的藥會(huì)在ATC 編碼的5級(jí)水平上都一致，故N取3級(jí)。本文的ATC編碼相似性特征為兩種藥物ATC編碼相似度的最大值。

2.2.3 蛋白質(zhì)相互作用的相似性特征

本文從 STRING 數(shù)據(jù)庫（Version 11.0）（https：//string-db.org/）下載所有人類兩兩靶標(biāo)的蛋白質(zhì)相互作用得分[22]，將成對(duì)藥物對(duì)應(yīng)的靶標(biāo)與之匹配，并累加兩藥靶標(biāo)間所有蛋白質(zhì)相互作用得分，最后取平均分值，得到藥物組合蛋白質(zhì)相互作用相似性得分，定義如下：

式（4）中，[pi]和[pj]分別代表藥物[Di]、[Dj]的靶標(biāo)。

2.2.4 藥物靶標(biāo)序列相似度特征

利用Biopython（http：//www.biopython.org）進(jìn)行藥物靶標(biāo)的序列相似度計(jì)算。Biopython是為生物信息學(xué)開發(fā)者提供的在線資源庫，包括模塊、腳本以及一些基于Python的軟件網(wǎng)站鏈接。Biopython提供了獨(dú)立的模塊pairwise2進(jìn)行成對(duì)序列比對(duì)。同樣，藥物靶標(biāo)的序列相似度得分與蛋白質(zhì)相互作用相似性得分類似，如式（4）所示。

2.2.5 藥物靶標(biāo)的Go Term相似性特征

使用軟件EnrichFunSim[23]構(gòu)建兩兩藥物靶標(biāo)的Go Term相似性特征?；蛑g的功能相似性廣泛應(yīng)用于生物信息學(xué)，評(píng)估基因功能相似性的方法主要是基于基因本體術(shù)語（Go Term）的語義相似性。EnrichFunSim是一種將Go結(jié)合現(xiàn)有功能的最新方法。實(shí)驗(yàn)表明，EnrichFunSim顯著提高了功能相似性測(cè)量能力。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本文構(gòu)建的特征數(shù)據(jù)都是數(shù)值類型，其大小有實(shí)際意義，表示相似度高低。因?yàn)椴煌卣鲾?shù)值量級(jí)不同，因此需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理消除特征之間的數(shù)量級(jí)差別，以避免數(shù)值問題，平衡各個(gè)特征貢獻(xiàn)，提升模型求解速度。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

考慮到總樣本358份，其中標(biāo)準(zhǔn)正樣本317份，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)樣本41份，預(yù)測(cè)成對(duì)藥物組合是否有效成為一個(gè)二分類問題。為克服正負(fù)樣本不平衡問題，本研究采用SMOTE算法進(jìn)行過采樣。SMOTE算法的思想是合成新的少數(shù)類樣本，合成方式是對(duì)每個(gè)少數(shù)類樣本a從它的最近鄰中隨機(jī)選一個(gè)樣本b，然后在a、b之間的連線上隨機(jī)選一點(diǎn)作為新合成的少數(shù)類樣本。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

3.2.1 基模型建模分析

首先利用構(gòu)建的特征數(shù)據(jù)和全部正負(fù)樣本，將總數(shù)據(jù)中67%劃分為訓(xùn)練集，其余作為測(cè)試集。分別輸入邏輯回歸（LR）、隨機(jī)森林（Random Frost）、K-近鄰算法（KNN）和高效梯度提升決策樹（LightGBM）4個(gè)模型中，結(jié)果如表1和圖2所示。

3.2.2 Stacking模型融合分析

Stacking模型融合過程：第一層在LR、Random Frost、 KNN三個(gè)基分類器上，分別對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)作5折交叉驗(yàn)證。對(duì)第一個(gè)基分類器，先從訓(xùn)練集拿出4折作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，另外1折作驗(yàn)證數(shù)據(jù)，用4折數(shù)據(jù)訓(xùn)練好的模型去預(yù)測(cè)另外1折驗(yàn)證數(shù)據(jù)，得到概率結(jié)果為[P1_n（n=5）]。同時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)沒有加入5折交叉驗(yàn)證，所以每次用此模型去預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，得到[T1_n（n=5）]，最后測(cè)試數(shù)據(jù)輸出的[Tn]取平均值為[T1_MEAN]，拼接[P1_n]與[T1_MEAN]為新的特征數(shù)據(jù)[[P1_1，P1_2，P1_3，P1_4，P1_5，T1_MEAN]]。接下來對(duì)其它兩個(gè)基分類器采用同樣的策略產(chǎn)生新的特征數(shù)據(jù)[[P2_1，P2_2，][P2_3，P2_4，P2_5，T2_MEAN]]和[[P3_1，P3_2，P3_3，P3_4，P3_5，][T3_MEAN]]。第二層，利用前面3個(gè)基分類器產(chǎn)生的新的特征數(shù)據(jù)輸入到LightGBM分類模型中，模型融合結(jié)果如表2、表3和圖3所示。

由于單模型LightGBM預(yù)測(cè)效果最好，故取其與Stacking模型融合進(jìn)行對(duì)比分析。由表2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，基于Stacking模型融合的藥物組合預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精度明顯優(yōu)于基于LightGBM的藥物組合預(yù)測(cè)模型，部分預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

4 結(jié)語

本研究綜合應(yīng)用了藥物二維分子結(jié)構(gòu)信息、藥物ATC編碼信息、蛋白質(zhì)相互作用、藥物靶標(biāo)的序列信息和Go Term信息，對(duì)藥物信息的提取與集成突出了層次性、互補(bǔ)性。同時(shí)引入Stacking算法，融合邏輯回歸（LR）、隨機(jī)森林（Random Frost）、K-近鄰算法（KNN）和高效梯度提升決策樹（LightGBM）4個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建藥物組合預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用Stacking算法模型融合的預(yù)測(cè)效果優(yōu)于傳統(tǒng)及最新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法建模。但本文還有一些局限性，如利用SMOTE算法進(jìn)行過采樣解決正負(fù)樣本不平衡問題，由此生成的并不是真正的負(fù)樣本，存在生成的負(fù)樣本為有效藥物組合的情況，如何尋找更多真正的負(fù)樣本或者考慮不利用負(fù)樣本建模是未來的研究方向。

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