【前沿探索】北京科技大学张达威教授团队Adv. Sci.：基于高通量实验/机器学习的D-氨基酸抑菌鸡尾酒高效筛选与配方优化

以下文章来源于抗菌科技圈 ，作者抗菌科技圈

第一作者：杨景智

通讯作者：张达威

通讯单位：北京科技大学

研究速览

近期，北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心张达威教授团队在Advanced Science发表了基于高通量实验/机器学习的D-氨基酸抑菌鸡尾酒高效筛选与配方优化的研究工作。由生物膜引发的细菌耐药性（AMR）已经成为一个全球性的健康问题。将现有的药物联合使用，开发具有协同抑菌作用和低生物毒性的鸡尾酒疗法有望成为治疗疾病，延缓AMR发生的有力手段。D-氨基酸混合物/抗生素鸡尾酒可以通过降低药物剂量的方式提供低毒高效的治疗新方法。然而，鸡尾酒疗法的配方大多是基于试错实验来确定的，考虑到药物组合巨大的搜索空间，这是一项极其艰巨的任务。本文提供了一种新的途径，通过高通量筛选和机器学习优化来加速探索理想的药物鸡尾酒配方。这种智能的方法可以快速导航巨大的搜索空间，高效筛选出具有最佳抗生物膜性能的多元D-氨基酸混合物，并且识别出D-氨基酸混合物与抗生素之间的协同作用。开发出的抑菌鸡尾酒可以有效清除感染小鼠血液和肺组织中的细菌，延缓耐药性的产生，且不会造成肾毒性和肝毒性，为未来的临床应用提供了重要的验证。

要点分析

要点一：本文将高通量实验和机器学习算法相结合，用于开发低毒高效的抑菌鸡尾酒。其中，高通量实验解决了D-氨基酸混合物实验数据匮乏，数据准确性不足的问题，为机器学习输入数据集的建立提供了强有力的支持；而机器学习算法在D-氨基酸作用机制不明的情况下，“主动”从数据中“学习”，并通过先进的导航机制，对不确定性最大的空间进行了指导探索，显著加速了D-氨基酸混合物的优化过程。   

要点二：100 μM D-氨基酸混合物的引入可以在疗效不变的情况下大大降低庆大霉素的用量，该结果在铜绿假单胞菌诱导的小鼠肺部感染模型中得到了证实。研究结果表明，本文提出的创新设计策略可以快速探索广阔的药物组合空间，实现高性能抑菌鸡尾酒的大规模可靠筛选。

图文导读

图1. 基于高通量筛选和机器学习方法的D-氨基酸混合物目标性能优化设计策略。

图2.（A）逻辑回归、AdaBoost回归、支持向量机回归、k-近邻、随机森林回归、决策树回归模型的均方误差值。（B）最佳回归模型（随机森林回归）在D-氨基酸混合物抗生物膜性能测试数据集上的表现。（C）OD570的实验真实值/机器学习预测值和迭代次数之间函数。（D）机器学习模型的均方误差值随着迭代次数的变化。（E）优化策略出现的四种最佳D-氨基酸混合物的抗生物膜性能。（F）文献报道的d -氨基酸与铜绿假单胞菌的抗生物膜效果比较。

图3.  体外抗菌活性筛选。（A）高通量筛选过程示意图。（B）基于高通量实验的D-氨基酸/抗生素鸡尾酒抗菌协同/拮抗热图。采用双向方差分析进行统计分析，数据以均值±S.D.表示 （*表示p < 0.05， **表示p < 0.01， ***表示p <0.001， ****表示p < 0.0001）。    

图4. 高通量体外抗菌活性和细胞毒性评价。（A）不同的D-氨基酸混合物/庆大霉素药物鸡尾酒对铜绿假单胞菌的生长抑制率和（B）生物膜形成抑制率。（C）铜绿假单胞菌的激光共聚焦扫描显微镜图像。（D）孵育24小时和（E）孵育72小时后，用CCK-8法检测得到的对BESA-2B细胞株的毒性。（F）孵育24小时和（G）孵育72小时后，用CCK-8法检测得到的对AML-12细胞株的毒性。（H）单独使用庆大霉素，（I）使用D-氨基酸混合物/庆大霉素药物鸡尾酒和（J）单独使用D-氨基酸混合物后的细菌耐药性发展。采用双向方差分析进行统计分析，数据以均值±S.D.表示 （*表示p < 0.05， **表示p < 0.01， ***表示p <0.001， ****表示p < 0.0001），（#表示p < 0.05， ##表示p < 0.01， ###表示p < 0.001， ####表示p < 0.0001）。

图5. （A）体内实验以及溶血实验流程图。感染后72小时铜绿假单胞菌在（B）血液和（C）肺组织中的菌落数量。（D）感染后72小时不同药物处理方式对肺组织的H&E色图像。 （E）红细胞溶血百分率。不同药物注射24小时后小鼠血液中（F）肌酸酐和（G）尿素氮的浓度。不同药物注射24小时后小鼠血液中（H）丙氨酸氨基转移酶和（I）天冬氨酸氨基转移酶的浓度。采用双向方差分析进行统计分析，数据以均值±S.D.表示 （*表示p < 0.05， **表示p < 0.01， ***表示p <0.001， ****表示p < 0.0001）    

结论

综上所述，作者结合了高通量实验和机器学习算法，快速筛选得到了低毒高效的D-氨基酸混合物/抗生素药物鸡尾酒。受益于高通量平台和全局优化算法的使用，仅通过少量的实验就获得了具有最佳抗生物膜效果的D-氨基酸混合物配方。此外，作者同时研究了多种类别的抗生素，并高效评估了它们与开发得到的D-氨基酸混合物联合使用时的抑菌行为和细胞毒性。筛选结果表明，在体外环境下，100 μM D-氨基酸混合物与4 mg/L庆大霉素药物鸡尾酒显著抑制了铜绿假单胞菌的生长和生物膜的形成，延缓了耐药性的产生，并且对多种细胞的活性几乎没有损伤。这是由于D-氨基酸混合物优异的抗生物膜效果，显著增强了细菌对庆大霉素的敏感性。D-氨基酸混合物极大地释放出了D-氨基酸作为生物膜抑制剂的潜力，展示出了比单一药物更好的效果。本文开发出的D-氨基酸混合物/庆大霉素药物鸡尾酒可以很好的逆转铜绿假单胞菌对小鼠造成的肺部感染症状，且药物注射后的小鼠没有出现任何的肾毒性和肝毒性。作者提出的创新设计策略可以快速探索广袤的药品组合空间，并对药物鸡尾酒以及其他医学及生物材料进行大规模可靠筛选。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202307173.

参考文献：

Yang J, Ran Y, Liu S, et al. Synergistic D-Amino Acids Based Antimicrobial Cocktails Formulated via High-Throughput Screening and Machine Learning. Advanced Science, 2023: 2307173.

 DOI: 10.1002/advs.202307173

来源：科转院

转自：“北科科研”微信公众号

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