针对上述问题，广东省人民医院马立敏教授开发了一个AI驱动的平台（AMP-hydrogel-Designer），用于自动化设计AI-AMP水凝胶。该平台结合了生成预训练（GPT）、提示调优（PT）、对比学习、知识蒸馏（KD）和强化学习（RL）等先进技术，生成了一种新型含硫抗菌肽（AK15），其独特的氨基酸序列使其对耐药细菌具有强大且广谱的抗菌活性。AK15的设计考虑了与水凝胶中其他含硫组分的二硫键形成，从而增强了水凝胶的网络结构和稳定性。此外，为提升水凝胶在再生医学中的潜力，研究中引入了Cu-BTO（铜掺杂的压电纳米材料），通过Cu-SH配位促进额外的复杂交联。BTO能够将伤口运动的机械能转化为有益的电能，主动刺激再生并加速愈合。这种AI驱动的生物材料设计提供了一种高效、低毒的抗菌生物材料，为应对日益严峻的耐药细菌感染问题提供了创新解决方案。该研究于2025年3月30日以《AI-Guided Design of Antimicrobial Peptide Hydrogels for Precise Treatment of Drug-resistant Bacterial Infections》为题发表于材料学顶刊《Advanced Materials》上（DOI：10.1002/adma.202500043）。

研究示意图

（1）AMP-Hydrogel-Designer 的开发及其在 AK15 生成中的应用

与静态伤口不同，颈部后侧、手腕、肘部、膝盖和脚踝等可活动部位的伤口由于持续的拉伸和弯曲，导致愈合过程更长，并增加了感染的风险。动态伤口感染模型被选中用于测试人工智能设计的生物材料的疗效。基于4臂PEG-SH（PEG-4SH）的水凝胶因其卓越的生物相容性和自愈特性，在修复活动性伤口方面表现出显著优势，但单独使用PEG-4SH作为治疗耐多药细菌感染动态伤口的生物材料是不够的。为了设计目标抗菌肽（AMP），研究者开发了AMP-水凝胶设计平台。该平台从构建一个在大量肽数据上预训练的大型语言模型（LLM）开始，随后在抗菌肽数据集上进行微调（PT），并利用强化学习（RL）进一步优化预训练模型。奖励函数由抗菌活性、针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的归一化最小抑制浓度（nMIC）值以及包含半胱氨酸残基的要求组成。生成的肽经过物理化学性质分析，发现预训练的AMP-GPT模型生成的肽与真实数据非常接近，而经过微调和蒸馏的模型进一步提高了相似性。

在强化学习过程中，肽的属性得分逐渐提高，总体奖励得分从约1.6增加到3.0，抗菌活性的概率从0.5上升到约0.75，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的预测MIC值显著下降（图1E）。包含半胱氨酸残基的肽序列比例从约0.1增加到0.4。生成的肽经过过滤和精炼，最终选出了排名前五的序列进行实验验证。AK15表现出强大的广谱抗菌活性，对多种临床耐药菌株表现出显著的抗菌效果，因此被选为与PEG-4SH交联的理想抗菌肽。从模型构建和训练到AK15的生成、化学合成以及体外活性验证，整个过程仅耗时约16天。人工智能引导的抗菌肽设计平台有望简化生物材料开发流程，减少试错所需的资源和时间，从而实现更具成本效益的生产，并使人工智能设计的抗菌材料更广泛地应用于耐药细菌感染的患者。如图1所示，该平台的工作流程包括大型语言模型的构建、微调和强化学习优化。

图1 使用AMP-hydrogel-Designer生成和筛选AK15_{。（A）AMP-hydrogel-Designer的训练数据集；（B）AMP-hydrogel-Designer的架构；（C）AMP候选物的实验验证；（D）AK15的详细生成和筛选步骤；（E）在强化学习（RL）过程中各种肽属性评分的演变}

（2）AI-AMP水凝胶的制备及表征

为了促进可活动部位伤口愈合，将压电组件整合到水凝胶中以刺激细胞修复活性。选择四方相钛酸钡（BTO）纳米颗粒进行表面修饰，通过自组装在BTO表面形成氨基树状大分子涂层，随后与铜离子配位生成Cu-BTO（图2A）。SEM（图2B）和TEM（图2C）分析显示Cu-BTO粒径均匀，平均直径约195 nm，涂层厚度约20 nm。EDS和XPS分析确认N和Cu均匀分布，XPS数据显示铜结合能降低。XRD表明Cu-BTO保持四方相结构，PFM显示良好压电性能，D33约为16.14 pm/V（图2D-F）。Cu-BTO通过铜-硫醇配位与PEG-4SH和AK15交联形成可注射、自愈合的AI-AMP水凝胶。SEM（图2H）显示水凝胶多孔结构，Cu-BTO分布均匀。FTIR（图2I）确认Cu-BTO结合成功。水凝胶具动态自形成配位键，赋予自愈合性能。组织粘附测试（图2G）显示良好粘附性，吸水性测试表明膨胀率>2500%，且能自我修复（图S10-S11）。流变测试（图S12-S13）显示低剪切呈固态，高剪切转为流体，具可注射性。压电效率测试表明，在1 W/cm²超声功率下，开路电压221 mV，短路电流29.5 nA，可有效将伤口运动转化为电能。AK15含硫醇基团与PEG-4SH形成二硫键，铜离子存在时形成更稳定结构。

图2 AI-AMP水凝胶的制备与表征_{。（A）BTO纳米颗粒的表面修饰；（B）Cu-BTO纳米颗粒的SEM图像；（C）单个Cu-BTO纳米颗粒的TEM图像，以及对应的选区电子衍射图案；（D）PFM分析的振幅和相位图像；（E）滞回环；（F）蝴蝶环；（G）在猪皮和人手上进行的组织粘附测试；（H）AI-AMP水凝胶的SEM图像，橙色箭头为Cu-BTO纳米颗粒；（I）FTIR；（J）XPS；（K）在0、1和2 W cm⁻²超声功率下AI-AMP水凝胶的开路电压和短路电流}

（3）AI-AMP-Hydrogel的体外抗菌活性及机理

为了测试AI-AMP水凝胶的抗菌效果，进行了菌落计数和细菌活/死染色实验，以确定与水凝胶孵育后大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的活性。同时，利用TEM和SEM观察细菌形态。此外，通过结晶紫染色评估了水凝胶对MRSA生物膜的抗活性。结果显示（图3A），AI-AMP水凝胶对大肠杆菌和MRSA表现出强大的抗菌活性，与对照组相比抑制率高达99.99%，而铜和BTO水凝胶对这些菌株没有抑制作用。该研究还与广泛认可的金标准抗菌肽（蜂毒肽）进行了对比实验。结果表明，AI-AMP水凝胶的抗菌效果优于蜂毒肽水凝胶。细菌活/死染色实验（图3C）进一步证实了这些发现；与生长对照组、铜水凝胶和BTO水凝胶组相比，AI-AMP水凝胶处理组的活菌数量显著减少（图3J,K）。与传统肽载水凝胶相比，AI-AMP水凝胶通过AK15和Cu-BTO增强的活性氧（ROS）生成的协同作用，实现了更高的细菌清除率。TEM和SEM结果显示，生长对照组的细菌膜光滑且结构完整，而AI-AMP水凝胶组的细菌膜受损甚至破裂，导致细胞内容物泄漏。这表明AK15通过破坏细菌膜的完整性来发挥抗菌作用。此外，AI-AMP水凝胶破坏了MRSA生物膜，使其生存率显著低于其他三组（图3B,I）。这些结果共同表明，AI-AMP水凝胶在体外具有强大而广谱的抗菌活性。

图3 AI-AMP水凝胶的体外抗菌性能_{。（A）不同样品处理后的MRSA和大肠杆菌（E. coli）的代表性菌落图像；（B）AI-AMP水凝胶对MRSA生物膜的抑制活性；（C）不同处理后MRSA和大肠杆菌的活/死染色图像；（D）MRSA和大肠杆菌的TEM图像；（E）MRSA和大肠杆菌的SEM图像；（F）AK15的抗菌机制；（G，H）不同处理后MRSA和大肠杆菌的菌落形成单位（CFU）；（I）不同处理后存活的MRSA生物膜的定量分析；（J，K）不同处理后MRSA和大肠杆菌的存活率。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

为了进一步阐明AI-AMP水凝胶对MRSA的抗菌机制，该研究分析了生长对照组和AI-AMP水凝胶处理组的MRSA转录组数据。火山图（图4A）显示，与对照组相比，AI-AMP水凝胶处理的MRSA表现出233个差异表达基因（DEGs），其中176个上调，57个下调。环形热图（图4B）显示，上调基因主要与细胞壁修饰、膜表面电荷调节和铜离子转运相关，而下调基因主要涉及细胞壁修复、膜应激反应、代谢活动和溶血活性。AI-AMP水凝胶不仅削弱了MRSA的细胞壁修复能力，还通过抑制膜应激反应和干扰代谢活动提高了抗菌活性。尽管MRSA试图通过改变膜电荷来保护自身，但这不足以抵抗AI-AMP水凝胶的杀菌作用。此外，AI-AMP水凝胶处理降低了溶血活性，并破坏了MRSA的铜离子稳态调节系统。

GO富集分析（图4C）显示，AI-AMP水凝胶对MRSA的影响集中在蛋白质翻译、tRNA修饰等关键生物过程。核糖体相关组分显著富集，表明细菌通过增强核糖体功能应对抗菌压力。KEGG富集分析（图4D）显示，影响集中在核糖体生物合成、代谢途径和抗菌肽抗性等过程，感染途径显著下调，表明AI-AMP水凝胶降低了MRSA的毒力和感染能力。PPI网络（图4E）显示，关键基因参与了细菌膜改变、代谢过程和毒力因子调控。基于转录组结果的抗MRSA机制示意图如图4F所示。这些结果表明，AI-AMP水凝胶通过破坏细菌膜、干扰代谢和降低毒力发挥抗菌作用。

AI-AMP水凝胶在体外对大肠杆菌和MRSA表现出优越的抗菌效果，主要归因于AK15与Cu-BTO的时间协同作用。Cu-BTO产生活性氧破坏细菌膜，为AK15的有效渗透创造机会。此外，水凝胶网络的复杂相互作用导致更紧凑的结构，有利于AK15的稳定固定和控释。

图4 转录组学分析_{。（A）对照组与AI-AMP水凝胶+超声组的差异表达基因（DEGs）火山图；（B）上调和下调DEGs中排名前15的基因的聚类分析；（C）所有DEGs的基因本体（GO）富集分析；（D）所有DEGs的京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析；（E）上调和下调DEGs的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络；（F）AI-AMP水凝胶抗MRSA机制示意图}

（4）AI-AMP-Hydrogel的生物相容性及伤口愈合性能

为了评估AI-AMP水凝胶的生物相容性，该研究使用小鼠成纤维细胞L929细胞进行实验。CCK-8实验（图5E）显示，即使AK15浓度达到128 µg/mL，L929细胞存活率仍保持在87.2%，表明AK15生物相容性良好。进一步实验（图5F）表明，AI-AMP水凝胶对细胞增殖无影响，具有优异的生物相容性。活/死染色实验（图5C）显示，无论是否超声激活，AI-AMP水凝胶对L929细胞存活均无影响。组织病理学分析显示，AI-AMP水凝胶在大鼠伤口愈合后30天内未引起慢性毒性或免疫反应，具有良好的长期生物相容性和安全性。

为了评估AI-AMP水凝胶的体外伤口愈合效果，该研究进行了Transwell和划痕实验。Transwell实验（图5A, C, G）显示，超声激活后，含BTO纳米颗粒的水凝胶组细胞迁移率显著提高。划痕实验（图5B, D, H）也表明，低强度超声显著增强了水凝胶组的细胞迁移能力。此外，qPCR结果显示，超声激活的AI-AMP水凝胶显著上调了VEGF、COL-I和COL-III的表达，促进了细胞迁移和伤口愈合。

图5 AI-AMP水凝胶的生物相容性和伤口愈合特性_{。（A）Transwell实验示意图；（B）划痕实验示意图；（C）不同处理后L929细胞的代表性迁移实验和活/死染色图像；（D）不同处理后L929细胞划痕实验的明场（BF）和荧光（FL）图像；（E）AK15处理后L929细胞存活率的测定；（F）不同处理后1、2和3天L929细胞的细胞活性；（G）L929细胞的定量分析；（H）不同时间点细胞覆盖面积的定量分析。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

为了评估AI-AMP水凝胶对血管生成的影响，该研究进行了管形成实验和CD31免疫荧光染色实验。结果显示，在超声激活下，BTO和AI-AMP水凝胶组的管数量显著增加（图6C,D），荧光强度也显著高于其他组（图6E）。这表明超声激活的压电材料释放的生物电能有效增强了内皮细胞的CD31表达和血管形成能力。

图6 AI-AMP水凝胶的体外促血管生成能力_{。（A）用不同样品处理人脐静脉内皮细胞（HUVEC）3小时或6小时后的血管生成图像；（B）不同处理后HUVEC的免疫荧光图像；（C，D）用不同样品处理HUVEC 6小时后的血管生成定量分析；（E）CD31平均荧光强度的定量分析。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

（5）大鼠模型中颈背伤口修复的体内评估

为了验证AI-AMP水凝胶在体内的抗菌和伤口愈合效果，该研究使用了感染MRSA的大鼠全层颈部伤口模型。颈部运动产生的机械能替代超声激活水凝胶中的BTO，释放生物电并发挥治疗效果。结果显示，AI-AMP水凝胶组的伤口闭合率高达99.5%，显著优于其他组（BTO水凝胶组87.3%，AK15水凝胶组89.6%），表明其具有强大的抗感染和愈合能力。组织学分析（H&E染色）显示，AI-AMP水凝胶组伤口尺寸显著减小，表皮厚度增加。Masson三色染色显示，该组胶原纤维密度显著高于其他组，表明其促进了胶原沉积和组织修复。AI-AMP水凝胶通过AK15和压电材料的协同作用，快速闭合伤口，并在6天内实现完全愈合，远快于其他抗菌水凝胶。

图7 AI-AMP水凝胶在感染MRSA的大鼠颈部伤口模型中的伤口愈合加速效果_{。（A）实验过程示意图；（B）不同时间点的伤口图像；（C）感染伤口面积变化示意图；（D）相对伤口闭合面积的定量分析；（E，F，G）伤口愈合长度、表皮厚度和胶原面积的定量分析；（H）收集样本的H&E染色和Masson染色结果（第6天和第12天）。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}

通过免疫荧光染色检测伤口部位的CD31表达以评估血管生成。结果显示，含BTO的组CD31表达较高，而添加AK15后CD31表达进一步升高，表明AI-AMP水凝胶组具有优越的促血管生成特性。定量分析显示，BTO和AI-AMP水凝胶组的COL-I和COL-III表达显著高于对照组和Cu水凝胶组，而AK15水凝胶组的表达虽高于对照组，但低于AI-AMP水凝胶组。这表明BTO将机械能转化为生物电有效促进伤口部位的胶原表达，而控制感染进一步放大了这一效果。AK15的抗菌特性不仅减少了伤口部位的细菌负荷，还与BTO产生的生物电协同作用，促进组织修复。生物电可能引导细胞迁移、增殖和分化，而AK15确保了无菌环境，共同促进伤口愈合。

图8 伤口组织的免疫荧光染色结果_{。（A）收集样本的CD31染色（红色）图像（第6天和第12天）；（B，C，D）CD31、COL-I和COL-III平均荧光强度的定量分析；（E）AI-AMP水凝胶促进伤口愈合的机制示意图；（F）收集样本的COL-I和COL-III染色（红色）图像（第6天和第12天）。蓝色箭头指示阳性染色区域。（*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001）}