基于AI的主动早期预警系统及精准治疗策略在猴痘防控中的应用

《Advanced Science》：AIEgen-Based Proactive Early Warning System and Precise Treatment Strategy for Monkeypox Prevention and Control

猴痘疫情智能监测与精准光动力治疗系统研发成功，通过喷洒式AIEgen液体敷料实时检测皮肤病变pH值变化，结合智能手机图像识别和云端平台实现感染预警与远程监控，1分钟低功率白光PDT治疗有效清除病毒并促进愈合，显著降低医疗负担并建立智能防控体系。

　　
近年来，猴痘病毒（MPOX）引发的全球性公共卫生事件引发广泛关注。传统防控手段存在多重局限性：首先，依赖医疗机构筛查导致无症状携带者难以早期发现；其次，常规检测方法耗时长、成本高且依赖专业设备，难以在基层推广；再者，现有追踪系统存在数据格式不统一、信息共享滞后等问题，影响防控效率。面对病毒高传播性、高变异率及10%的致死率（B.1.2亚型），亟需开发智能化的预警与干预系统。

该研究创新性地将有机光电材料技术与数字健康平台相结合，构建了"监测-诊断-治疗-预警"全链条防控体系。核心突破体现在三个方面：
1. **pH响应型发光材料开发**
研究团队基于AIE（聚集诱导发光）材料的特性，合成了一种具有强酸响应特性的荧光分子TBSMPPy。该分子在生理pH（7.0）下保持高效发光，但当局部pH降至5.5（模拟病毒感染酸性环境）时，荧光强度骤降90%以上。这种特性使得材料能精准识别感染区域，同时避免对健康组织的误伤。实验显示，该材料在模拟体液环境中稳定性达10天，且经500次关节弯曲测试后仍保持完整性和荧光性能。

2. **非侵入式光动力治疗系统**
通过将TBSMPPy负载到商用液体敷料（LD）中，形成AIE@LD复合敷料。临床前研究表明，单次5mW/cm2的低功率白光辐照（60秒）即可实现：
- 病毒载量降低4个数量级（TCID50从10?减至102）
- 皮肤溃疡愈合速度提升3倍（7天内完全闭合）
- 炎症因子IL-6、TNF-α水平降低78%
这种高效低毒的治疗模式解决了传统光热疗法易引发皮肤灼伤的问题，患者依从性显著提高。

3. **智能监测云平台构建**
系统整合智能手机光学成像与云端分析算法，形成闭环管理：
- **图像识别模块**：通过专有APP实现 lesions 的实时检测，准确率达98.7%（受试者内重复试验CICC=0.96）
- **动态预警机制**：基于pH-荧光响应曲线建立分级预警模型（图5C），当荧光强度低于阈值时自动触发社区防控预警
- **治疗决策支持**：云平台同步整合实验室检测结果（病毒载量、炎症指标）和影像数据，为医生提供个性化治疗方案建议

临床验证显示，该系统在猴痘感染模型中可实现：
- 72小时内完成感染定位与分级（Ⅰ级/Ⅱ级/Ⅲ级）
- 治疗方案响应时间缩短至15分钟（传统模式需2小时）
- 防控成本降低83%（单患者平均治疗成本从$120降至$20）

该技术突破传统检测的时空限制，通过"材料-光-电"多模态传感，将病毒感染识别时间从平均72小时（WHO标准）压缩至4小时以内。特别在追踪潜伏期患者方面，系统通过敷料持续监测皮肤pH变化，成功识别出常规方法漏检的23%的亚临床感染者。

材料创新方面，TBSMPPy分子采用苯并噻二唑环与吡啶基团构筑的杂原子骨架，其能带结构经DFT计算显示HOMO-LUMO gap缩小至0.18eV，促进光激发态向三重态高效跨越。这种电子结构设计使得材料在紫外激发下（365nm）即可产生可见荧光（峰值678nm），满足智能手机成像需求。

系统验证阶段采用双盲对照试验，纳入327例疑似病例。结果显示：
- 早期预警组（接诊至确诊时间）平均2.1小时（对照组6.8小时）
- 误报率（非感染病例）0.3%（<1%）
- 治疗依从性提升至92%（传统组67%）
- 病毒传播阻断率提高至91%（基线值78%）

在技术扩展性方面，研究团队已将该模块化设计应用于其他传染性疾病：
- 霍乱腹泻检测：开发pH-荧光双响应材料，结合手机光谱分析
- 结核皮肤病变监测：采用红外-荧光复合探针
- 艾滋病口腔黏膜病变筛查：开发舌下可喷式AIE材料

该系统的核心价值在于建立"材料-光-电-云"的闭环生态。通过纳米材料构建生物传感界面，利用光物理效应实现分子级检测，借助移动终端完成数据采集，最后通过云平台进行大数据分析，形成完整的公共卫生防控链条。这种多学科交叉的创新模式，为应对未来新发传染病提供了可复制的技术框架。

在公共卫生响应层面，系统展现出显著的成本效益优势。以美国2022年猴痘疫情为例，若全面部署该系统：
- 检测成本可从$85/人次降至$12
- 医疗资源占用率降低67%
- 病毒变异监测周期从季度级缩短至周级
- 疫苗接种覆盖率提升至92%

系统已通过FDA 510(k)认证，并在密歇根州立大学医院开展社区试验，数据显示：
- 早期预警使重症转化率降低41%
- 治疗周期缩短58%
- 病毒载量下降速率提高3倍

未来发展方向包括：
1. 开发多参数复合传感器（整合pH、温度、湿度）
2. 构建病毒变异实时监测数据库
3. 优化PDT治疗参数，拓展至肺泡、黏膜等深部组织
4. 开发可降解智能敷料（生物相容性材料占比>85%）

该技术体系重新定义了传染病防控范式，通过"材料科学+数字健康+精准医疗"的融合创新，为构建新型公共卫生应急响应机制提供了关键技术支撑。其核心突破在于将传统实验室检测（灵敏度10? PFU/mL）转化为可及性更强的现场快速诊断（灵敏度102 PFU/mL），同时通过智能干预将治疗窗口期从72小时压缩至8小时，这在传染病防控领域具有里程碑意义。