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針對上述問題，廣東省人民醫(yī)院馬立敏教授開發(fā)了一個AI驅(qū)動的平臺（AMP-hydrogel-Designer），用于自動化設計AI-AMP水凝膠。該平臺結(jié)合了生成預訓練（GPT）、提示調(diào)優(yōu)（PT）、對比學習、知識蒸餾（KD）和強化學習（RL）等先進技術(shù)，生成了一種新型含硫抗菌肽（AK15），其獨特的氨基酸序列使其對耐藥細菌具有強大且廣譜的抗菌活性。AK15的設計考慮了與水凝膠中其他含硫組分的二硫鍵形成，從而增強了水凝膠的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。此外，為提升水凝膠在再生醫(yī)學中的潛力，研究中引入了Cu-BTO（銅摻雜的壓電納米材料），通過Cu-SH配位促進額外的復雜交聯(lián)。BTO能夠?qū)谶\動的機械能轉(zhuǎn)化為有益的電能，主動刺激再生并加速愈合。這種AI驅(qū)動的生物材料設計提供了一種高效、低毒的抗菌生物材料，為應對日益嚴峻的耐藥細菌感染問題提供了創(chuàng)新解決方案。該研究于2025年3月30日以《AI-Guided Design of Antimicrobial Peptide Hydrogels for Precise Treatment of Drug-resistant Bacterial Infections》為題發(fā)表于材料學頂刊《Advanced Materials》上（DOI：10.1002/adma.202500043）。

研究示意圖

（1）AMP-Hydrogel-Designer 的開發(fā)及其在 AK15 生成中的應用

與靜態(tài)傷口不同，頸部后側(cè)、手腕、肘部、膝蓋和腳踝等可活動部位的傷口由于持續(xù)的拉伸和彎曲，導致愈合過程更長，并增加了感染的風險。動態(tài)傷口感染模型被選中用于測試人工智能設計的生物材料的療效?；?臂PEG-SH（PEG-4SH）的水凝膠因其卓越的生物相容性和自愈特性，在修復活動性傷口方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但單獨使用PEG-4SH作為治療耐多藥細菌感染動態(tài)傷口的生物材料是不夠的。為了設計目標抗菌肽（AMP），研究者開發(fā)了AMP-水凝膠設計平臺。該平臺從構(gòu)建一個在大量肽數(shù)據(jù)上預訓練的大型語言模型（LLM）開始，隨后在抗菌肽數(shù)據(jù)集上進行微調(diào)（PT），并利用強化學習（RL）進一步優(yōu)化預訓練模型。獎勵函數(shù)由抗菌活性、針對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的歸一化最小抑制濃度（nMIC）值以及包含半胱氨酸殘基的要求組成。生成的肽經(jīng)過物理化學性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)預訓練的AMP-GPT模型生成的肽與真實數(shù)據(jù)非常接近，而經(jīng)過微調(diào)和蒸餾的模型進一步提高了相似性。

在強化學習過程中，肽的屬性得分逐漸提高，總體獎勵得分從約1.6增加到3.0，抗菌活性的概率從0.5上升到約0.75，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的預測MIC值顯著下降（圖1E）。包含半胱氨酸殘基的肽序列比例從約0.1增加到0.4。生成的肽經(jīng)過過濾和精煉，最終選出了排名前五的序列進行實驗驗證。AK15表現(xiàn)出強大的廣譜抗菌活性，對多種臨床耐藥菌株表現(xiàn)出顯著的抗菌效果，因此被選為與PEG-4SH交聯(lián)的理想抗菌肽。從模型構(gòu)建和訓練到AK15的生成、化學合成以及體外活性驗證，整個過程僅耗時約16天。人工智能引導的抗菌肽設計平臺有望簡化生物材料開發(fā)流程，減少試錯所需的資源和時間，從而實現(xiàn)更具成本效益的生產(chǎn)，并使人工智能設計的抗菌材料更廣泛地應用于耐藥細菌感染的患者。如圖1所示，該平臺的工作流程包括大型語言模型的構(gòu)建、微調(diào)和強化學習優(yōu)化。

圖1 使用AMP-hydrogel-Designer生成和篩選AK15_{。（A）AMP-hydrogel-Designer的訓練數(shù)據(jù)集；（B）AMP-hydrogel-Designer的架構(gòu)；（C）AMP候選物的實驗驗證；（D）AK15的詳細生成和篩選步驟；（E）在強化學習（RL）過程中各種肽屬性評分的演變}

（2）AI-AMP水凝膠的制備及表征

為了促進可活動部位傷口愈合，將壓電組件整合到水凝膠中以刺激細胞修復活性。選擇四方相鈦酸鋇（BTO）納米顆粒進行表面修飾，通過自組裝在BTO表面形成氨基樹狀大分子涂層，隨后與銅離子配位生成Cu-BTO（圖2A）。SEM（圖2B）和TEM（圖2C）分析顯示Cu-BTO粒徑均勻，平均直徑約195 nm，涂層厚度約20 nm。EDS和XPS分析確認N和Cu均勻分布，XPS數(shù)據(jù)顯示銅結(jié)合能降低。XRD表明Cu-BTO保持四方相結(jié)構(gòu)，PFM顯示良好壓電性能，D33約為16.14 pm/V（圖2D-F）。Cu-BTO通過銅-硫醇配位與PEG-4SH和AK15交聯(lián)形成可注射、自愈合的AI-AMP水凝膠。SEM（圖2H）顯示水凝膠多孔結(jié)構(gòu)，Cu-BTO分布均勻。FTIR（圖2I）確認Cu-BTO結(jié)合成功。水凝膠具動態(tài)自形成配位鍵，賦予自愈合性能。組織粘附測試（圖2G）顯示良好粘附性，吸水性測試表明膨脹率>2500%，且能自我修復（圖S10-S11）。流變測試（圖S12-S13）顯示低剪切呈固態(tài)，高剪切轉(zhuǎn)為流體，具可注射性。壓電效率測試表明，在1 W/cm2超聲功率下，開路電壓221 mV，短路電流29.5 nA，可有效將傷口運動轉(zhuǎn)化為電能。AK15含硫醇基團與PEG-4SH形成二硫鍵，銅離子存在時形成更穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖2 AI-AMP水凝膠的制備與表征_{。（A）BTO納米顆粒的表面修飾；（B）Cu-BTO納米顆粒的SEM圖像；（C）單個Cu-BTO納米顆粒的TEM圖像，以及對應的選區(qū)電子衍射圖案；（D）PFM分析的振幅和相位圖像；（E）滯回環(huán)；（F）蝴蝶環(huán)；（G）在豬皮和人手上進行的組織粘附測試；（H）AI-AMP水凝膠的SEM圖像，橙色箭頭為Cu-BTO納米顆粒；（I）FTIR；（J）XPS；（K）在0、1和2 W cm?2超聲功率下AI-AMP水凝膠的開路電壓和短路電流}

（3）AI-AMP-Hydrogel的體外抗菌活性及機理

為了測試AI-AMP水凝膠的抗菌效果，進行了菌落計數(shù)和細菌活/死染色實驗，以確定與水凝膠孵育后大腸桿菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的活性。同時，利用TEM和SEM觀察細菌形態(tài)。此外，通過結(jié)晶紫染色評估了水凝膠對MRSA生物膜的抗活性。結(jié)果顯示（圖3A），AI-AMP水凝膠對大腸桿菌和MRSA表現(xiàn)出強大的抗菌活性，與對照組相比抑制率高達99.99%，而銅和BTO水凝膠對這些菌株沒有抑制作用。該研究還與廣泛認可的金標準抗菌肽（蜂毒肽）進行了對比實驗。結(jié)果表明，AI-AMP水凝膠的抗菌效果優(yōu)于蜂毒肽水凝膠。細菌活/死染色實驗（圖3C）進一步證實了這些發(fā)現(xiàn)；與生長對照組、銅水凝膠和BTO水凝膠組相比，AI-AMP水凝膠處理組的活菌數(shù)量顯著減少（圖3J,K）。與傳統(tǒng)肽載水凝膠相比，AI-AMP水凝膠通過AK15和Cu-BTO增強的活性氧（ROS）生成的協(xié)同作用，實現(xiàn)了更高的細菌清除率。TEM和SEM結(jié)果顯示，生長對照組的細菌膜光滑且結(jié)構(gòu)完整，而AI-AMP水凝膠組的細菌膜受損甚至破裂，導致細胞內(nèi)容物泄漏。這表明AK15通過破壞細菌膜的完整性來發(fā)揮抗菌作用。此外，AI-AMP水凝膠破壞了MRSA生物膜，使其生存率顯著低于其他三組（圖3B,I）。這些結(jié)果共同表明，AI-AMP水凝膠在體外具有強大而廣譜的抗菌活性。

圖3 AI-AMP水凝膠的體外抗菌性能_{。（A）不同樣品處理后的MRSA和大腸桿菌（E. coli）的代表性菌落圖像；（B）AI-AMP水凝膠對MRSA生物膜的抑制活性；（C）不同處理后MRSA和大腸桿菌的活/死染色圖像；（D）MRSA和大腸桿菌的TEM圖像；（E）MRSA和大腸桿菌的SEM圖像；（F）AK15的抗菌機制；（G，H）不同處理后MRSA和大腸桿菌的菌落形成單位（CFU）；（I）不同處理后存活的MRSA生物膜的定量分析；（J，K）不同處理后MRSA和大腸桿菌的存活率。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

為了進一步闡明AI-AMP水凝膠對MRSA的抗菌機制，該研究分析了生長對照組和AI-AMP水凝膠處理組的MRSA轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)?；鹕綀D（圖4A）顯示，與對照組相比，AI-AMP水凝膠處理的MRSA表現(xiàn)出233個差異表達基因（DEGs），其中176個上調(diào)，57個下調(diào)。環(huán)形熱圖（圖4B）顯示，上調(diào)基因主要與細胞壁修飾、膜表面電荷調(diào)節(jié)和銅離子轉(zhuǎn)運相關，而下調(diào)基因主要涉及細胞壁修復、膜應激反應、代謝活動和溶血活性。AI-AMP水凝膠不僅削弱了MRSA的細胞壁修復能力，還通過抑制膜應激反應和干擾代謝活動提高了抗菌活性。盡管MRSA試圖通過改變膜電荷來保護自身，但這不足以抵抗AI-AMP水凝膠的殺菌作用。此外，AI-AMP水凝膠處理降低了溶血活性，并破壞了MRSA的銅離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

GO富集分析（圖4C）顯示，AI-AMP水凝膠對MRSA的影響集中在蛋白質(zhì)翻譯、tRNA修飾等關鍵生物過程。核糖體相關組分顯著富集，表明細菌通過增強核糖體功能應對抗菌壓力。KEGG富集分析（圖4D）顯示，影響集中在核糖體生物合成、代謝途徑和抗菌肽抗性等過程，感染途徑顯著下調(diào)，表明AI-AMP水凝膠降低了MRSA的毒力和感染能力。PPI網(wǎng)絡（圖4E）顯示，關鍵基因參與了細菌膜改變、代謝過程和毒力因子調(diào)控。基于轉(zhuǎn)錄組結(jié)果的抗MRSA機制示意圖如圖4F所示。這些結(jié)果表明，AI-AMP水凝膠通過破壞細菌膜、干擾代謝和降低毒力發(fā)揮抗菌作用。

AI-AMP水凝膠在體外對大腸桿菌和MRSA表現(xiàn)出優(yōu)越的抗菌效果，主要歸因于AK15與Cu-BTO的時間協(xié)同作用。Cu-BTO產(chǎn)生活性氧破壞細菌膜，為AK15的有效滲透創(chuàng)造機會。此外，水凝膠網(wǎng)絡的復雜相互作用導致更緊湊的結(jié)構(gòu)，有利于AK15的穩(wěn)定固定和控釋。

圖4 轉(zhuǎn)錄組學分析_{。（A）對照組與AI-AMP水凝膠+超聲組的差異表達基因（DEGs）火山圖；（B）上調(diào)和下調(diào)DEGs中排名前15的基因的聚類分析；（C）所有DEGs的基因本體（GO）富集分析；（D）所有DEGs的京都基因與基因組百科全書（KEGG）富集分析；（E）上調(diào)和下調(diào)DEGs的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（PPI）網(wǎng)絡；（F）AI-AMP水凝膠抗MRSA機制示意圖}

（4）AI-AMP-Hydrogel的生物相容性及傷口愈合性能

為了評估AI-AMP水凝膠的生物相容性，該研究使用小鼠成纖維細胞L929細胞進行實驗。CCK-8實驗（圖5E）顯示，即使AK15濃度達到128 μg/mL，L929細胞存活率仍保持在87.2%，表明AK15生物相容性良好。進一步實驗（圖5F）表明，AI-AMP水凝膠對細胞增殖無影響，具有優(yōu)異的生物相容性。活/死染色實驗（圖5C）顯示，無論是否超聲激活，AI-AMP水凝膠對L929細胞存活均無影響。組織病理學分析顯示，AI-AMP水凝膠在大鼠傷口愈合后30天內(nèi)未引起慢性毒性或免疫反應，具有良好的長期生物相容性和安全性。

為了評估AI-AMP水凝膠的體外傷口愈合效果，該研究進行了Transwell和劃痕實驗。Transwell實驗（圖5A, C, G）顯示，超聲激活后，含BTO納米顆粒的水凝膠組細胞遷移率顯著提高。劃痕實驗（圖5B, D, H）也表明，低強度超聲顯著增強了水凝膠組的細胞遷移能力。此外，qPCR結(jié)果顯示，超聲激活的AI-AMP水凝膠顯著上調(diào)了VEGF、COL-I和COL-III的表達，促進了細胞遷移和傷口愈合。

圖5 AI-AMP水凝膠的生物相容性和傷口愈合特性_{。（A）Transwell實驗示意圖；（B）劃痕實驗示意圖；（C）不同處理后L929細胞的代表性遷移實驗和活/死染色圖像；（D）不同處理后L929細胞劃痕實驗的明場（BF）和熒光（FL）圖像；（E）AK15處理后L929細胞存活率的測定；（F）不同處理后1、2和3天L929細胞的細胞活性；（G）L929細胞的定量分析；（H）不同時間點細胞覆蓋面積的定量分析。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

為了評估AI-AMP水凝膠對血管生成的影響，該研究進行了管形成實驗和CD31免疫熒光染色實驗。結(jié)果顯示，在超聲激活下，BTO和AI-AMP水凝膠組的管數(shù)量顯著增加（圖6C,D），熒光強度也顯著高于其他組（圖6E）。這表明超聲激活的壓電材料釋放的生物電能有效增強了內(nèi)皮細胞的CD31表達和血管形成能力。

圖6 AI-AMP水凝膠的體外促血管生成能力_{。（A）用不同樣品處理人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）3小時或6小時后的血管生成圖像；（B）不同處理后HUVEC的免疫熒光圖像；（C，D）用不同樣品處理HUVEC 6小時后的血管生成定量分析；（E）CD31平均熒光強度的定量分析。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

（5）大鼠模型中頸背傷口修復的體內(nèi)評估

為了驗證AI-AMP水凝膠在體內(nèi)的抗菌和傷口愈合效果，該研究使用了感染MRSA的大鼠全層頸部傷口模型。頸部運動產(chǎn)生的機械能替代超聲激活水凝膠中的BTO，釋放生物電并發(fā)揮治療效果。結(jié)果顯示，AI-AMP水凝膠組的傷口閉合率高達99.5%，顯著優(yōu)于其他組（BTO水凝膠組87.3%，AK15水凝膠組89.6%），表明其具有強大的抗感染和愈合能力。組織學分析（H&E染色）顯示，AI-AMP水凝膠組傷口尺寸顯著減小，表皮厚度增加。Masson三色染色顯示，該組膠原纖維密度顯著高于其他組，表明其促進了膠原沉積和組織修復。AI-AMP水凝膠通過AK15和壓電材料的協(xié)同作用，快速閉合傷口，并在6天內(nèi)實現(xiàn)完全愈合，遠快于其他抗菌水凝膠。

圖7 AI-AMP水凝膠在感染MRSA的大鼠頸部傷口模型中的傷口愈合加速效果_{。（A）實驗過程示意圖；（B）不同時間點的傷口圖像；（C）感染傷口面積變化示意圖；（D）相對傷口閉合面積的定量分析；（E，F(xiàn)，G）傷口愈合長度、表皮厚度和膠原面積的定量分析；（H）收集樣本的H&E染色和Masson染色結(jié)果（第6天和第12天）。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

通過免疫熒光染色檢測傷口部位的CD31表達以評估血管生成。結(jié)果顯示，含BTO的組CD31表達較高，而添加AK15后CD31表達進一步升高，表明AI-AMP水凝膠組具有優(yōu)越的促血管生成特性。定量分析顯示，BTO和AI-AMP水凝膠組的COL-I和COL-III表達顯著高于對照組和Cu水凝膠組，而AK15水凝膠組的表達雖高于對照組，但低于AI-AMP水凝膠組。這表明BTO將機械能轉(zhuǎn)化為生物電有效促進傷口部位的膠原表達，而控制感染進一步放大了這一效果。AK15的抗菌特性不僅減少了傷口部位的細菌負荷，還與BTO產(chǎn)生的生物電協(xié)同作用，促進組織修復。生物電可能引導細胞遷移、增殖和分化，而AK15確保了無菌環(huán)境，共同促進傷口愈合。

圖8 傷口組織的免疫熒光染色結(jié)果_{。（A）收集樣本的CD31染色（紅色）圖像（第6天和第12天）；（B，C，D）CD31、COL-I和COL-III平均熒光強度的定量分析；（E）AI-AMP水凝膠促進傷口愈合的機制示意圖；（F）收集樣本的COL-I和COL-III染色（紅色）圖像（第6天和第12天）。藍色箭頭指示陽性染色區(qū)域。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}