傳統(tǒng)抗菌材料開(kāi)發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最為突出的是缺乏系統(tǒng)性和預(yù)測(cè)性。例如，在開(kāi)發(fā)新型抗菌材料時(shí)，研究者們長(zhǎng)期受限于經(jīng)驗(yàn)方法，缺乏對(duì)材料成分間復(fù)雜相互作用的深入理解，導(dǎo)致優(yōu)化過(guò)程繁瑣且效率低下。此外，傳統(tǒng)方法在平衡抗菌活性和組織相容性方面也存在顯著困難。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，開(kāi)發(fā)一種新型抗菌材料通常需要數(shù)年時(shí)間和大量資源。這種高成本和低效率的現(xiàn)狀嚴(yán)重限制了新型抗菌材料的研發(fā)速度和數(shù)量。
2025年3月30日，廣東省人民醫(yī)院馬立敏&浙江大學(xué)侯廷軍&上海交通大學(xué)崔文國(guó)團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》期刊上報(bào)道了一種新的解決方案，有助于加速基于機(jī)理的新型抗菌材料的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展。
關(guān)鍵信息或發(fā)現(xiàn)
核心創(chuàng)新
該團(tuán)隊(duì)在研究中首創(chuàng)了“生成式設(shè)計(jì)和多目標(biāo)約束優(yōu)化”，通過(guò)AI與生物材料設(shè)計(jì)的結(jié)合，從大規(guī)模肽數(shù)據(jù)庫(kù)中挖掘潛在規(guī)律。這一框架利用AI技術(shù)生成了一種新型含硫抗菌肽（AK15），并將其與水凝膠功能耦合，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)引入銅修飾的鈦酸鋇（Cu-BTO），進(jìn)一步增強(qiáng)了水凝膠的交聯(lián)能力。AI設(shè)計(jì)的水凝膠在體外實(shí)驗(yàn)中對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和大腸桿菌（E. coli）展現(xiàn)出>99.99%的殺菌效率。這一創(chuàng)新不僅展示了生成式設(shè)計(jì)的強(qiáng)大潛力，也為未來(lái)的抗菌材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。通過(guò)模擬人類的認(rèn)知過(guò)程，該框架能夠靈活地處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，并提供直觀的解釋，這在傳統(tǒng)計(jì)算方法中是難以實(shí)現(xiàn)的。
圖1.使用AMP-水凝膠設(shè)計(jì)平臺(tái)生成和篩選AK15(圖源自Adv. Mater.)
技術(shù)亮點(diǎn)
在技術(shù)層面，該研究展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法使得研究者能夠充分利用大規(guī)模肽數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建的模型在預(yù)測(cè)潛在抗菌肽時(shí)表現(xiàn)出色，AI設(shè)計(jì)的抗菌肽AK15對(duì)耐藥細(xì)菌的MIC值為8 μg/mL，表明模型具有很高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。在驗(yàn)證方面，預(yù)測(cè)出的抗菌肽與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高度一致性進(jìn)一步證明了該方法的有效性。例如，在體外實(shí)驗(yàn)中，AI設(shè)計(jì)的水凝膠對(duì)MRSA和大腸桿菌的殺菌效率超過(guò)99.99%，顯示出其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。與傳統(tǒng)方法相比，新技術(shù)不僅提高了設(shè)計(jì)速度，還顯著提升了抗菌材料的效率和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的抗菌材料設(shè)計(jì)通常需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而該框架通過(guò)生成式設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化，能夠在早期階段篩選出最有潛力的候選材料，從而節(jié)省了大量的時(shí)間和資源。
機(jī)理揭秘
為了深入理解AI設(shè)計(jì)的抗菌肽水凝膠的性能，研究團(tuán)隊(duì)采用了轉(zhuǎn)錄組分析。這一方法揭示了AI設(shè)計(jì)的水凝膠通過(guò)破壞細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)和干擾代謝活動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效抗菌。例如，在研究MRSA時(shí)，轉(zhuǎn)錄組分析顯示，AI設(shè)計(jì)的水凝膠顯著下調(diào)了與細(xì)胞壁修復(fù)和代謝活動(dòng)相關(guān)的基因表達(dá)，同時(shí)上調(diào)了與銅離子運(yùn)輸相關(guān)的基因表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)不僅為未來(lái)抗菌材料設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，也為理解抗菌機(jī)制提供了新的視角。例如，該框架揭示了抗菌肽與銅離子的協(xié)同作用，通過(guò)干擾細(xì)菌的銅離子平衡和代謝過(guò)程，顯著增強(qiáng)了抗菌效果。
圖2.轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析(圖源自Adv. Mater.)
應(yīng)用價(jià)值
該技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該框架對(duì)多種耐藥細(xì)菌具有良好的適用性，能夠處理動(dòng)態(tài)傷口治療。例如，在大鼠模型中，AI設(shè)計(jì)的水凝膠顯著減少了MRSA負(fù)荷，并顯著加速了傷口愈合。更重要的是，該技術(shù)解鎖了個(gè)性化醫(yī)療的潛力，為精準(zhǔn)醫(yī)療開(kāi)辟了新的路徑。在個(gè)性化醫(yī)療中，精準(zhǔn)匹配抗菌材料對(duì)于患者的療效至關(guān)重要。通過(guò)這種新技術(shù)，研究者可以更高效地為患者匹配最適合的抗菌材料，從而提高治療效果。例如，在動(dòng)態(tài)傷口治療中，AI設(shè)計(jì)的水凝膠能夠根據(jù)傷口的運(yùn)動(dòng)特性，釋放生物電能，促進(jìn)細(xì)胞遷移和增殖，從而加速傷口愈合。
圖3. AI-AMP水凝膠在感染MRSA的大鼠頸部傷口模型中加速傷口愈合的效果(圖源自Adv. Mater.)
總結(jié)與展望
研究團(tuán)隊(duì)的“AI引導(dǎo)設(shè)計(jì)+機(jī)理指導(dǎo)”范式為抗菌材料開(kāi)發(fā)提供了一種低數(shù)據(jù)場(chǎng)景下的高效解決方案。這一方法不僅顯著提高了抗菌材料的開(kāi)發(fā)效率，還為未來(lái)的抗菌治療提供了新的思路。
展望未來(lái)，該方法有望拓展至其他復(fù)雜生物材料的設(shè)計(jì)，為生物材料領(lǐng)域帶來(lái)更多的創(chuàng)新和突破，推動(dòng)抗菌材料開(kāi)發(fā)進(jìn)入“智能時(shí)代”。例如，該框架可以進(jìn)一步應(yīng)用于抗菌涂層和組織工程支架的設(shè)計(jì)，為這些領(lǐng)域的患者提供新的治療選擇。此外，隨著更多數(shù)據(jù)的整合和算法的優(yōu)化，該框架的預(yù)測(cè)能力將進(jìn)一步提升，為全球醫(yī)療健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。
文章鏈接
Zhihui Jiang, Jianwen Feng, Fan Wang, Jike Wang, Ningtao Wang, Mengmiao Zhang, Chang-Yu Hsieh, Tingjun Hou,* Wenguo Cui,* and Limin Ma*. AI-Guided Design of Antimicrobial Peptide Hydrogels for Precise Treatment of Drug-resistant Bacterial Infections. Adv. Mater.2025, 2500043
https://doi.org/10.1002/adma.202500043
來(lái)源：人工智能化學(xué)與材料
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