摘要：在当今全球公共卫生领域，抗生素耐药性问题已成为一个严峻挑战。耐药菌感染不仅增加了疾病的治疗难度，还导致了全球范围内发病率和死亡率的显著上升。传统抗菌策略在面对耐药菌时往往力不从心，而生物材料在抗菌治疗中虽有应用，但其设计方法多依赖于经验，缺乏系统性和预测性。如

在当今全球公共卫生领域，抗生素耐药性问题已成为一个严峻挑战。耐药菌感染不仅增加了疾病的治疗难度，还导致了全球范围内发病率和死亡率的显著上升。传统抗菌策略在面对耐药菌时往往力不从心，而生物材料在抗菌治疗中虽有应用，但其设计方法多依赖于经验，缺乏系统性和预测性。如今，人工智能（AI）技术的崛起为这一困境带来了新的曙光，其强大的数据处理和模式识别能力有望为抗菌生物材料的设计提供精准指导。

近期，广东省人民医院马立敏主任/南部战区总医院姜志辉主任/浙江大学侯廷军教授等人在一项突破性研究中成功开发出一种基于AI设计的抗菌肽水凝胶（AI-AMP-hydrogel），为耐药菌感染的精准治疗提供了创新解决方案。该团队构建了一个名为AMP-hydrogel-Designer的AI平台，利用生成设计和多目标约束优化技术，生成了一种新型含巯基抗菌肽（AK15），并将其与水凝胶功能耦合，形成复杂网络结构。此外，研究中还引入了铜改性钛酸钡（Cu-BTO），通过Cu²⁺/SH配位进一步促进复杂交联，最终制备出AI-AMP-hydrogel。

【AMP-hydrogel-Designer的构建及AK 15的筛选】

该研究首先构建了一个基于大语言模型（LLM）的预训练模型，并在大量肽数据上进行预训练，随后利用AMP数据集进行提示微调。接着，通过强化学习（RL）优化模型，设计了包含抗菌活性、物种特异性活性和半胱氨酸含量的奖励函数。经过多轮迭代优化，肽的属性分数显著提升，整体奖励分数从1.6提高到3.0，抗菌活性概率从0.5提高到0.75，MIC值大幅降低，含半胱氨酸的比例从0.1增加到0.4。最终，根据奖励值筛选出前100个候选肽序列，通过CAMP、AMP-Scanner和Macrel工具过滤后，选出前五名序列进行实验验证。AK15因其广谱抗菌活性被选为理想的AMP，用于与PEG-4SH交联形成水凝胶，为动态伤口感染治疗提供了新的策略。使用AMP-hydrogel-Designer平台生成和筛选AK15过程如图1所示。

图1 AMP-hydrogel-Designer平台生成和筛选AK 15

【AI-AMP水凝胶的合成及表征】

随后该研究将压电材料Cu-BTO与PEG-4SH和抗菌肽AK15交联制备了AI-AMP水凝胶。Cu-BTO通过氨基封端的树状大分子G4-PAMAM修饰，具有良好的压电性能和生物相容性。该水凝胶具有自愈合、组织粘附、高吸水性和可注射性，能将伤口运动转化为电能，促进伤口愈合。AI-AMP-hydrogel的合成及表征结果如图2所示。

图2 AI-AMP-hydrogel的合成及表征

【AI-AMP-hydrogel的抗菌及伤口愈合性能】

在体外实验中，AI-AMP-hydrogel展现出卓越的抗菌效果，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌（E. coli）的杀菌效率高达99.99%，透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示，AI-AMP-hydrogel能够破坏细菌细胞膜的完整性，导致细胞内容物泄漏。此外，AI-AMP-hydrogel还能有效破坏MRSA生物膜，降低其生存率。在大鼠动态伤口模型中，AI-AMP-hydrogel显著减少了MRSA负荷，加速了伤口愈合，并且在愈合过程中表现出良好的生物相容性，没有引发慢性毒性或免疫反应。其评价AI-AMP-hydrogel的抗菌及伤口愈合性能结果如图3、4所示。

图3 AI-AMP-hydrogel体外抗菌性能评价

图4 AI-AMP-hydrogel修复大鼠颈部创伤的体内评价

【总结与展望】

这项研究通过AI技术实现了抗菌肽与水凝胶的精准设计和功能耦合，开发出了一种高效、低毒的抗菌生物材料。AI-AMP-hydrogel不仅在体外展现出强大的抗菌能力，还在动物模型中证明了其促进伤口愈合的潜力。这一成果不仅为耐药菌感染的治疗提供了新的思路，也为未来生物材料的设计和开发提供了一个全新的方向。

来源：高分子科学前沿一点号1