《Next Nanotechnology》：Integrated probiotic, nanotechnology, and artificial intelligence-based strategies for the management of multidrug-resistant pathogens: A review
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多重耐药（MDR）病原体的快速上升对全球医疗保健构成了重大挑战，降低了常规抗菌疗法的有效性，并迫切需要创新治疗策略。益生菌已成为有前景的生物治疗剂，因其能够调节肠道微生物组、抑制病原体定植、产生抗菌化合物并增强宿主免疫力。近期进展表明，将益生菌与纳米技术和人工
多重耐药（MDR）病原体的快速上升对全球医疗保健构成了重大挑战，降低了常规抗菌疗法的有效性，并迫切需要创新治疗策略。益生菌已成为有前景的生物治疗剂，因其能够调节肠道微生物组、抑制病原体定植、产生抗菌化合物并增强宿主免疫力。近期进展表明，将益生菌与纳米技术和人工智能（AI）相结合可能为对抗MDR感染提供强效方法。基于纳米技术的递送系统改善了益生菌的稳定性、胃肠道存活率、控制释放和靶向递送，从而增强治疗效果。同时，AI驱动的工具促进了微生物谱分析、菌株选择、耐药性监测、预测建模和制剂优化。益生菌、纳米技术和AI的融合提供了一种个性化和适应性策略，用于预防和管理MDR感染，同时最小化驱动抗菌药物耐药性的选择压力。本综述强调了这种新兴三模态方法作为对抗MDR病原体的下一代解决方案的潜力。
1. 引言
多重耐药（MDR）病原体的迅速增加已成为全球公共卫生危机，2019年因细菌抗菌药物耐药性（AMR）导致约127万人死亡，预计2050年将达191万。世界卫生组织（WHO）将病原体分为关键、高和中等优先级，其中碳青霉烯耐药肠杆菌科细菌及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等严重威胁现代医学。耐药病原体以每年5%–15%的速度增长，造成巨大经济负担。传统抗生素的疗效逐渐降低，而替代性非抗生素策略如益生菌、免疫疗法、噬菌体疗法、纳米技术抗菌剂等受到关注。益生菌通过竞争性排斥、分泌抗菌代谢物、干扰群体感应及抑制生物膜形成等方式发挥抗MDR作用，但胃肠道恶劣条件影响其活力。人工智能（AI）可高通量筛选菌株、预测细菌素活性及建模宿主-益生菌-病原体相互作用；纳米技术则通过封装保护益生菌，提高稳定性与靶向递送能力。三者整合有望形成新一代个性化抗MDR疗法。
2. 多重耐药病原体的全球出现和生物学基础
MDR细菌的传播涉及抗生素选择与剂量不当、医疗设备污染及重症监护病房（ICU）长期住院等因素。WHO将肠球菌属、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌属等ESKAPE病原体列为关键优先级，这些“超级细菌”对多类抗生素耐药。耐药机制包括固有耐药、基因突变及通过水平基因转移获得耐药性。
2.1 全球流行率、流行病学和临床影响
全球MDR感染每年导致超百万人死亡，医疗相关费用超过1000亿美元，直接影响经济生产力。产超广谱β-内酰胺酶（ESBL）和碳青霉烯耐药肠杆菌科细菌（CRE）是主要流行菌株。2024年全球抗菌药物耐药性和使用监测系统（GLASS）报告显示，南亚国家大肠埃希菌对三代头孢菌素耐药率高，肺炎克雷伯菌碳青霉烯耐药性增加。新德里金属-β-内酰胺酶（NDM）和移动黏菌素耐药（mcr）基因已在全球传播，导致治疗失败和死亡率上升。
3. 基于益生菌的MDR病原体应对方法
益生菌通过多因素生物学机制对抗MDR病原体，包括竞争性排斥、产生有机酸降低pH、分泌过氧化氢、增强上皮屏障及调节免疫。与抗生素不同，益生菌对MDR菌株的选择压力小，可下调外排泵和耐药基因表达，并促进MDR菌的肠道去定植。多项体外和临床研究支持其与抗生素协同作用，降低耐药发生风险。
3.1 抗菌药物耐药性时代的益生菌：新兴范例
传统益生菌如乳杆菌属、双歧杆菌属、布拉氏酵母菌和部分肠球菌属已发展成活体微生物治疗药物（LMTs）。下一代益生菌（NGPs）通过高通量测序和系统生物学筛选，具有更强免疫调节和抗炎特性。AI驱动的菌株选择、功能基因组学和纳米生物技术递送系统正在提升益生菌的稳定性、特异性和疗效。
3.2 益生菌抗MDR潜力的机制见解
益生菌通过生态、生化和宿主调节机制协同抑制MDR病原体，包括竞争生态位、产生抗菌物质、调节宿主免疫及干扰群体感应。
3.2.1 竞争排斥和定植抵抗
益生菌通过占据上皮黏附位点、消耗必需营养素、产生有机酸（乳酸、乙酸）降低环境pH，并释放过氧化氢增强黏膜防御。它们还增强紧密连接蛋白和黏液分泌，调节免疫应答，从而抑制MDR病原体定植。
3.2.2 产生抗菌和抗病原代谢物
乳杆菌和双歧杆菌产生的细菌素可破坏细菌膜完整性，形成孔洞导致细胞裂解。短链脂肪酸（SCFAs）如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐维持肠道稳态，抑制病原体DNA复制和代谢。过氧化氢通过氧化损伤蛋白质、脂质和核酸，并破坏生物膜，增强病原体对抗生素的敏感性。
3.2.3 直接抑制、生物膜破坏和病原体抑制
益生菌来源的生物表面活性剂具有两亲性，可破坏脂质膜、减少表面黏附并防止生物膜形成。某些乳杆菌菌株对单核细胞增生李斯特菌表现出强抗生物膜活性。益生菌还能增加病原体对宿主免疫防御的敏感性，并降低抗生素最低抑菌浓度。
3.3 益生菌联合体用于增强和靶向MDR控制
多菌株益生菌联合体模拟天然微生物群落，提供功能冗余和代谢互补性，比单菌株具有更广谱和更稳健的抗菌活性。例如，含鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌和长双歧杆菌的联合体通过协同产酸、分泌细菌素和竞争排斥，增强对产ESBL大肠埃希菌和碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌的抑制。多菌株制剂还能更有效地减少万古霉素耐药肠球菌（VRE）的肠道携带。
3.4 益生菌在MDR管理中的临床和兽医应用
在临床环境中，益生菌可降低ICU患者医院获得性MDR感染发生率，减少艰难梭菌相关性腹泻。随机临床试验显示，鼠李糖乳杆菌GG（LGG）等菌株可改善肠道菌群对耐药菌的定植抵抗。兽医领域，益生菌作为抗生素替代品用于家禽和家畜，如嗜酸乳杆菌、枯草芽孢杆菌和屎肠球菌可减少MDR沙门菌和弯曲杆菌的脱落，降低AMR基因传播。
3.5 安全考虑和监管挑战
益生菌安全性需逐株评估，在免疫功能低下、危重患者及早产儿中，罕见菌血症、真菌血症和脓毒症病例已有报道。获得性耐药基因可能通过可移动遗传元件水平转移，因此国际建议要求益生菌菌株不得含有可转移的抗菌药物耐药决定簇。全基因组测序（WGS）用于鉴定毒力基因和耐药基因。生产需符合良好生产规范（GMP）。欧洲食品安全局（EFSA）采用合格安全推定（QPS）方法，美国食品药品监督管理局（FDA）按预期用途分类监管。未来监管框架需包括基因组监测、遗传稳定性评估和上市后药物警戒。
4. 纳米技术赋能益生菌治疗MDR病原体
纳米技术通过保护性递送系统提高益生菌在加工、储存和胃肠道转运中的活力。脂质纳米粒、聚合物纳米粒和无机纳米材料可抵御胃酸、胆汁盐和氧化应激，并实现位点特异性递送，如结肠、泌尿生殖道或感染伤口。纳米递送系统能减少所需剂量，促进与抗生素或生物膜破坏剂的共递送。
4.1 纳米载体平台用于益生菌保护和靶向递送
微囊化是常用方法，藻酸盐和壳聚糖等生物聚合物可显著提高益生菌在胃肠道恶劣条件下的存活率。果胶水凝胶珠封装鼠李糖乳杆菌在体内肠损伤模型中显示出抗感染和 protective efficacy。刺激响应释放系统通过pH、酶或病原体信号激活，实现局部抗菌活性。纳米乳剂提高益生菌热稳定性和释放特性。混合纳米系统在伤口感染管理中具潜力。
4.2 纳米材料在益生菌封装中的生物相容性、稳定性和功能增强
纳米材料的理化性质（如粒径、表面电荷和封装效率）决定保护效果。常用材料包括天然和合成聚合物。
4.2.1 纤维素
纳米纤维素具有生物相容性、可降解性和低毒性，可作冷冻保护剂。纤维素纳米纤维封装植物乳杆菌在pH 2.5–6.8胃条件下提高存活率。
4.2.2 壳聚糖
壳聚糖具有黏膜黏附性和抗菌活性。发酵乳杆菌封装于壳聚糖后，在果蝇模型中表现出改善的稳定性和免疫调节作用。
4.2.3 合成聚合物
甲基丙烯酸及其酯类聚合物在酸性条件下保护益生菌，在中性至碱性pH溶解。Eudragit S100微胶囊可提高乳杆菌属在模拟胃肠道条件下的活力。
4.2.4 纳米颗粒
氧化镁（MgO）纳米颗粒具有酸中和能力。戊糖片球菌封装于含MgO纳米颗粒的藻酸盐-明胶微凝胶后，胃肠道暴露下的稳定性显著提高。
4.2.5 淀粉和海藻酸盐
淀粉-藻酸盐凝胶纳米颗粒可提高布氏乳杆菌在模拟胃肠道条件下的存活和稳定性。
4.3 纳米材料在益生菌封装中的递送系统
静电纺丝利用电场产生纳米纤维，封装副干酪乳杆菌后细胞活力达60%–70%。果寡糖和聚乙烯醇也可用于静电纺丝。复合凝聚法依靠带电荷聚合物的静电吸引，将益生菌封装于明胶和羧甲基纤维素（CMC）中，胃肠道递送后回收率超90%。但仍需优化聚合物比例、离子强度和pH等参数。
5. 人工智能在益生菌和纳米技术治疗中的应用
AI和机器学习（ML）可分析临床、基因组、流行病学等复杂数据，支持抗MDR治疗设计。AI平台可预测益生菌-病原体相互作用，优化菌株选择，设计基于宿主微生物组和耐药模式的个性化制剂。ML还可帮助开发智能纳米载体，提高靶向效率和益生菌活力。
5.1 AI在MDR感染精准医学中的应用
AI整合临床记录、基因组序列、流行病学监测和AMR监控数据，预测耐药模式，优化治疗策略。AI平台可预测益生菌与病原体相互作用，指导纳米制剂设计，实现精准治疗。
5.2 AI与益生菌和纳米技术系统的整合
细菌通过靶点改变、产生β-内酰胺酶、外排泵和生物膜形成等机制耐药。AI可分析宏基因组数据，揭示肠道微生物组作为耐药基因储库的作用。乳杆菌属产生的代谢物可抑制外排泵活性，如松油烯-4-醇可下调RND外排泵基因。纳米载体增强益生菌对生物膜的渗透性。AI/ML帮助筛选菌株并优化纳米配方参数（粒径、形态、材料组成）。
5.3 AI/ML在纳米益生菌中的最新进展和未来展望
电子病历（EHR）用于预测AMR和指导治疗。算法包括逻辑回归、随机森林、神经网络、Q学习和深度Q网络（DQN）。例如，Wang等人使用反向传播神经网络（BPNN）预测危重患者MDRO感染；Zhang等人开发COMDEL模型结合高通量筛选预测抗菌肽。ProbML算法可从基因组测序直接识别有效益生菌菌株。深度学习方法如支持向量机（SVM）和随机森林（RF）用于分析微生物组数据，早期诊断疾病。
6. 整合三模态治疗模型（益生菌×纳米技术×人工智能）
三模态整合结合生物学、计算科学和工程学优势，提供多机制抗MDR策略。益生菌提供微生物组中心的抗菌作用，AI实现精准治疗设计，纳米技术增强递送和稳定性。
6.1 定制和精准治疗设计的概念框架
益生菌通过竞争排斥、产生抗菌化合物和免疫调节构成生物基础。AI分析宿主微生物组、病原体耐药基因和代谢网络，预测最佳菌株组合和剂量。纳米技术实现位点特异性递送，与亚抑制浓度抗生素、生物膜破坏剂等共递送。三模态方法具有更高的特异性、稳健性和适应性，并遵循“One Health”原则。
6.2 用于整合MDR治疗开发的AI引导工作流程
工作流程包括：多组学分析（基因组学、转录组学、代谢组学、蛋白质组学）表征病原体和宿主微生物组，识别MDR基因和毒力决定簇；AI/ML算法选择最优菌株或联合体，预测相互作用和定植潜力；纳米封装递送；体外和体内验证；临床或兽医部署；治疗后监测。AI根据治疗结果持续优化设计。
6.3 转化影响、临床前景和挑战
三模态方法可实现实时治疗适应，监测微生物组动态和临床反应。纳米封装提高益生菌存活率和定植效率，靶向递送减少全身暴露。未来需发展可编程益生菌、可解释AI和智能纳米材料。数字孪生患者微生物组可在临床部署前预测结果。监管框架和标准化安全指南对加速临床采用至关重要。
7. 未来展望
未来需从传统菌株方法转向精准、证据驱动的微生物治疗。多组学技术可识别患者特异性微生物特征，开发个性化益生菌策略。合成生物学和微生物工程可设计可编程微生物，感知疾病信号并产生特定抗菌分子。CRISPR-Cas系统可选择性靶向耐药基因，与益生菌递送平台结合。AI和计算方法整合基因组、代谢组和临床数据，加速益生菌发现。多学科合作和大型随机临床试验是验证下一代益生菌价值的关键。
8. 结论
益生菌、纳米技术和人工智能的整合将益生菌从经验性补充转变为精准抗菌干预。纳米技术提高益生菌活力、稳定性和位点特异性递送；AI驱动分析整合宿主、病原体和微生物组数据，实现个性化治疗。三模态策略推进精准医学和抗菌药物管理，尽管面临监管、安全和临床标准化挑战，仍为可持续管理多重耐药感染提供了有前景的方案。
