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針對(duì)上述問題，廣東省人民醫(yī)院馬立敏教授開發(fā)了一個(gè)AI驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)（AMP-hydrogel-Designer），用于自動(dòng)化設(shè)計(jì)AI-AMP水凝膠。該平臺(tái)結(jié)合了生成預(yù)訓(xùn)練（GPT）、提示調(diào)優(yōu)（PT）、對(duì)比學(xué)習(xí)、知識(shí)蒸餾（KD）和強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）等先進(jìn)技術(shù)，生成了一種新型含硫抗菌肽（AK15），其獨(dú)特的氨基酸序列使其對(duì)耐藥細(xì)菌具有強(qiáng)大且廣譜的抗菌活性。AK15的設(shè)計(jì)考慮了與水凝膠中其他含硫組分的二硫鍵形成，從而增強(qiáng)了水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。此外，為提升水凝膠在再生醫(yī)學(xué)中的潛力，研究中引入了Cu-BTO（銅摻雜的壓電納米材料），通過(guò)Cu-SH配位促進(jìn)額外的復(fù)雜交聯(lián)。BTO能夠?qū)谶\(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為有益的電能，主動(dòng)刺激再生并加速愈合。這種AI驅(qū)動(dòng)的生物材料設(shè)計(jì)提供了一種高效、低毒的抗菌生物材料，為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的耐藥細(xì)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(xué)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(yīng)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(dòng)部位的傷口由于持續(xù)的拉伸和彎曲，導(dǎo)致愈合過(guò)程更長(zhǎng)，并增加了感染的風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)傷口感染模型被選中用于測(cè)試人工智能設(shè)計(jì)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(fù)活動(dòng)性傷口方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，但單獨(dú)使用PEG-4SH作為治療耐多藥細(xì)菌感染動(dòng)態(tài)傷口的生物材料是不夠的。為了設(shè)計(jì)目標(biāo)抗菌肽（AMP），研究者開發(fā)了AMP-水凝膠設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)從構(gòu)建一個(gè)在大量肽數(shù)據(jù)上預(yù)訓(xùn)練的大型語(yǔ)言模型（LLM）開始，隨后在抗菌肽數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào)（PT），并利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)訓(xùn)練模型。獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)由抗菌活性、針對(duì)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(guò)物理化學(xué)性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)訓(xùn)練的AMP-GPT模型生成的肽與真實(shí)數(shù)據(jù)非常接近，而經(jīng)過(guò)微調(diào)和蒸餾的模型進(jìn)一步提高了相似性。

在強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程中，肽的屬性得分逐漸提高，總體獎(jiǎng)勵(lì)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(yù)測(cè)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(guò)過(guò)濾和精煉，最終選出了排名前五的序列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。AK15表現(xiàn)出強(qiáng)大的廣譜抗菌活性，對(duì)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(xùn)練到AK15的生成、化學(xué)合成以及體外活性驗(yàn)證，整個(gè)過(guò)程僅耗時(shí)約16天。人工智能引導(dǎo)的抗菌肽設(shè)計(jì)平臺(tái)有望簡(jiǎn)化生物材料開發(fā)流程，減少試錯(cuò)所需的資源和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更具成本效益的生產(chǎn)，并使人工智能設(shè)計(jì)的抗菌材料更廣泛地應(yīng)用于耐藥細(xì)菌感染的患者。如圖1所示，該平臺(tái)的工作流程包括大型語(yǔ)言模型的構(gòu)建、微調(diào)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化。

圖1 使用AMP-hydrogel-Designer生成和篩選AK15_{。（A）AMP-hydrogel-Designer的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；（B）AMP-hydrogel-Designer的架構(gòu)；（C）AMP候選物的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；（D）AK15的詳細(xì)生成和篩選步驟；（E）在強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）過(guò)程中各種肽屬性評(píng)分的演變}

（2）AI-AMP水凝膠的制備及表征

為了促進(jìn)可活動(dòng)部位傷口愈合，將壓電組件整合到水凝膠中以刺激細(xì)胞修復(fù)活性。選擇四方相鈦酸鋇（BTO）納米顆粒進(jìn)行表面修飾，通過(guò)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(rèn)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(guò)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(rèn)Cu-BTO結(jié)合成功。水凝膠具動(dòng)態(tài)自形成配位鍵，賦予自愈合性能。組織粘附測(cè)試（圖2G）顯示良好粘附性，吸水性測(cè)試表明膨脹率>2500%，且能自我修復(fù)（圖S10-S11）。流變測(cè)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(cè)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。AK15含硫醇基團(tuán)與PEG-4SH形成二硫鍵，銅離子存在時(shí)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(gè)Cu-BTO納米顆粒的TEM圖像，以及對(duì)應(yīng)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(jìn)行的組織粘附測(cè)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(jī)理

為了測(cè)試AI-AMP水凝膠的抗菌效果，進(jìn)行了菌落計(jì)數(shù)和細(xì)菌活/死染色實(shí)驗(yàn)，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(shí)，利用TEM和SEM觀察細(xì)菌形態(tài)。此外，通過(guò)結(jié)晶紫染色評(píng)估了水凝膠對(duì)MRSA生物膜的抗活性。結(jié)果顯示（圖3A），AI-AMP水凝膠對(duì)大腸桿菌和MRSA表現(xiàn)出強(qiáng)大的抗菌活性，與對(duì)照組相比抑制率高達(dá)99.99%，而銅和BTO水凝膠對(duì)這些菌株沒有抑制作用。該研究還與廣泛認(rèn)可的金標(biāo)準(zhǔn)抗菌肽（蜂毒肽）進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。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(xì)菌活/死染色實(shí)驗(yàn)（圖3C）進(jìn)一步證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)；與生長(zhǎng)對(duì)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(guò)AK15和Cu-BTO增強(qiáng)的活性氧（ROS）生成的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了更高的細(xì)菌清除率。TEM和SEM結(jié)果顯示，生長(zhǎng)對(duì)照組的細(xì)菌膜光滑且結(jié)構(gòu)完整，而AI-AMP水凝膠組的細(xì)菌膜受損甚至破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏。這表明AK15通過(guò)破壞細(xì)菌膜的完整性來(lái)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(qiáng)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(duì)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(jī)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(jìn)一步闡明AI-AMP水凝膠對(duì)MRSA的抗菌機(jī)制，該研究分析了生長(zhǎng)對(duì)照組和AI-AMP水凝膠處理組的MRSA轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。火山圖（圖4A）顯示，與對(duì)照組相比，AI-AMP水凝膠處理的MRSA表現(xiàn)出233個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），其中176個(gè)上調(diào)，57個(gè)下調(diào)。環(huán)形熱圖（圖4B）顯示，上調(diào)基因主要與細(xì)胞壁修飾、膜表面電荷調(diào)節(jié)和銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)，而下調(diào)基因主要涉及細(xì)胞壁修復(fù)、膜應(yīng)激反應(yīng)、代謝活動(dòng)和溶血活性。AI-AMP水凝膠不僅削弱了MRSA的細(xì)胞壁修復(fù)能力，還通過(guò)抑制膜應(yīng)激反應(yīng)和干擾代謝活動(dòng)提高了抗菌活性。盡管MRSA試圖通過(guò)改變膜電荷來(lái)保護(hù)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(duì)MRSA的影響集中在蛋白質(zhì)翻譯、tRNA修飾等關(guān)鍵生物過(guò)程。核糖體相關(guān)組分顯著富集，表明細(xì)菌通過(guò)增強(qiáng)核糖體功能應(yīng)對(duì)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(guò)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(luò)（圖4E）顯示，關(guān)鍵基因參與了細(xì)菌膜改變、代謝過(guò)程和毒力因子調(diào)控?；谵D(zhuǎn)錄組結(jié)果的抗MRSA機(jī)制示意圖如圖4F所示。這些結(jié)果表明，AI-AMP水凝膠通過(guò)破壞細(xì)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(duì)大腸桿菌和MRSA表現(xiàn)出優(yōu)越的抗菌效果，主要?dú)w因于AK15與Cu-BTO的時(shí)間協(xié)同作用。Cu-BTO產(chǎn)生活性氧破壞細(xì)菌膜，為AK15的有效滲透創(chuàng)造機(jī)會(huì)。此外，水凝膠網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜相互作用導(dǎo)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(xué)分析_{。（A）對(duì)照組與AI-AMP水凝膠+超聲組的差異表達(dá)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(luò)；（F）AI-AMP水凝膠抗MRSA機(jī)制示意圖}

（4）AI-AMP-Hydrogel的生物相容性及傷口愈合性能

為了評(píng)估AI-AMP水凝膠的生物相容性，該研究使用小鼠成纖維細(xì)胞L929細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。CCK-8實(shí)驗(yàn)（圖5E）顯示，即使AK15濃度達(dá)到128 μg/mL，L929細(xì)胞存活率仍保持在87.2%，表明AK15生物相容性良好。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)（圖5F）表明，AI-AMP水凝膠對(duì)細(xì)胞增殖無(wú)影響，具有優(yōu)異的生物相容性。活/死染色實(shí)驗(yàn)（圖5C）顯示，無(wú)論是否超聲激活，AI-AMP水凝膠對(duì)L929細(xì)胞存活均無(wú)影響。組織病理學(xué)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(yīng)，具有良好的長(zhǎng)期生物相容性和安全性。

為了評(píng)估AI-AMP水凝膠的體外傷口愈合效果，該研究進(jìn)行了Transwell和劃痕實(shí)驗(yàn)。Transwell實(shí)驗(yàn)（圖5A, C, G）顯示，超聲激活后，含BTO納米顆粒的水凝膠組細(xì)胞遷移率顯著提高。劃痕實(shí)驗(yàn)（圖5B, D, H）也表明，低強(qiáng)度超聲顯著增強(qiáng)了水凝膠組的細(xì)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(dá)，促進(jìn)了細(xì)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(shí)驗(yàn)示意圖；（B）劃痕實(shí)驗(yàn)示意圖；（C）不同處理后L929細(xì)胞的代表性遷移實(shí)驗(yàn)和活/死染色圖像；（D）不同處理后L929細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)的明場(chǎng)（BF）和熒光（FL）圖像；（E）AK15處理后L929細(xì)胞存活率的測(cè)定；（F）不同處理后1、2和3天L929細(xì)胞的細(xì)胞活性；（G）L929細(xì)胞的定量分析；（H）不同時(shí)間點(diǎn)細(xì)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(píng)估AI-AMP水凝膠對(duì)血管生成的影響，該研究進(jìn)行了管形成實(shí)驗(yàn)和CD31免疫熒光染色實(shí)驗(yàn)。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(qiáng)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(qiáng)了內(nèi)皮細(xì)胞的CD31表達(dá)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(xì)胞（HUVEC）3小時(shí)或6小時(shí)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(shí)后的血管生成定量分析；（E）CD31平均熒光強(qiáng)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(fù)的體內(nèi)評(píng)估

為了驗(yàn)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)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(dá)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(qiáng)大的抗感染和愈合能力。組織學(xué)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(jìn)了膠原沉積和組織修復(fù)。AI-AMP水凝膠通過(guò)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(shí)現(xiàn)完全愈合，遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖；（B）不同時(shí)間點(diǎn)的傷口圖像；（C）感染傷口面積變化示意圖；（D）相對(duì)傷口閉合面積的定量分析；（E，F(xiàn)，G）傷口愈合長(zhǎng)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(guò)免疫熒光染色檢測(cè)傷口部位的CD31表達(dá)以評(píng)估血管生成。結(jié)果顯示，含BTO的組CD31表達(dá)較高，而添加AK15后CD31表達(dá)進(jìn)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(dá)顯著高于對(duì)照組和Cu水凝膠組，而AK15水凝膠組的表達(dá)雖高于對(duì)照組，但低于AI-AMP水凝膠組。這表明BTO將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為生物電有效促進(jìn)傷口部位的膠原表達(dá)，而控制感染進(jìn)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(xì)菌負(fù)荷，還與BTO產(chǎn)生的生物電協(xié)同作用，促進(jìn)組織修復(fù)。生物電可能引導(dǎo)細(xì)胞遷移、增殖和分化，而AK15確保了無(wú)菌環(huán)境，共同促進(jìn)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(qiáng)度的定量分析；（E）AI-AMP水凝膠促進(jìn)傷口愈合的機(jī)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(lán)色箭頭指示陽(yáng)性染色區(qū)域。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}