基于人工神经网络和Box-Behnken设计优化的替诺福韦-蓝藻抗病毒蛋白N多用途预防性水凝胶的研发与评价

为解决HIV/STIs预防技术中药物协同性不足、剂型适配性差等问题，研究人员通过Box-Behnken设计结合人工神经网络（ANN），开发了含1%替诺福韦（TNF）与0.0005%蓝藻抗病毒蛋白N（CV-N）的复合水凝胶。该制剂通过优化NaCMC、PEG2000和CaCl2浓度，实现96.3%黏膜黏附率、9,806 μg/cm2/h的TNF通量及119,205.6 μg/cm2的药物释放，兼具高效抗病毒与生物安全性，为多用途预防技术（MPT）提供了新策略。

　　

在全球HIV和性传播感染（STIs）发病率持续攀升的背景下，现有预防手段如避孕套和单一抗病毒药物的局限性日益凸显。资源有限地区尤其面临用户接受度低、给药频率高和耐药性风险等问题。多用途预防技术（MPT）虽能同时阻断HIV/STIs传播，但多药物协同配方开发面临剂量差异大、理化性质不兼容等挑战。为此，来自中国的研究团队在《Pharmaceutical Science Advances》发表了一项突破性研究，通过人工神经网络（ANN）引导的Box-Behnken设计（BBD），成功开发出兼具高效抗病毒活性和优异黏膜滞留性的替诺福韦（TNF）-蓝藻抗病毒蛋白N（CV-N）复合水凝胶。

研究采用三因素三水平BBD优化NaCMC、PEG₂₀₀₀和CaCl₂浓度，结合ANN模型预测黏膜黏附率、药物通量和释放动力学。通过曼塔射线觅食优化算法（MRFO）确定最佳配方为4% NaCMC、2% PEG₂₀₀₀和1% CaCl₂。体外评估采用Franz扩散池测定TNF通量，周期性酸/希夫染色法量化黏膜黏附，并通过TZM-bl细胞模型验证抗HIV效力。

3.1. ANN模型分析
通过5层神经网络架构（含ReLU激活函数）建立的模型，对黏膜黏附、通量和释放的预测R²分别达0.9495、0.9801和0.9981。实验验证显示预测值与实测值偏差不足1%，证实模型可精准指导水凝胶优化。

3.2. 输入因素对响应值的影响
局部依赖图（PDP）揭示：CaCl₂浓度与黏膜黏附呈负相关，因高交联密度会限制聚合物链与黏膜相互作用；而NaCMC浓度提升可增强黏附（4%→5%时黏附率从96.5%升至99.4%），归因于其羧甲基基团与黏膜糖蛋白的氢键作用。PEG₂₀₀₀在3.5%时出现黏附峰值，过量则因过度水化削弱聚合物-黏膜接触。

3.3. 优化配方表征
最佳配方pH 4.5±0.017（模拟阴道环境），黏度275,600±0.65 cP。扫描电镜（SEM）显示孔径均一（1200±0.46 nm），X射线衍射（XRD）证实药物以无定形状态分散。热重分析（TGA）表明水凝胶在300°C内稳定，满足储存要求。

3.4. 生物活性评价
抗HIV实验显示，含0.05 μg CV-N和100 μg TNF的水凝胶即可完全抑制病毒感染，而单一药物需10倍剂量。MTT实验证实72小时后细胞存活率>95%，但兔阴道模型显示24小时内短暂上皮剥脱（72小时自愈），提示临床需关注初期刺激性。

该研究首次实现TNF与CV-N的协同递送，其黏膜黏附时长和药物释放动力学优于现有MPT产品。尽管渗透压（472 mOsm/kg）略高于生理范围，但通过调整甘油浓度可进一步优化。这项技术为开发女性主导的按需预防方案提供了新思路，尤其适用于资源有限地区的HIV/STIs综合防控。未来需在灵长类模型中验证长期安全性和对阴道微生物组的影响。