國家納米科學(xué)中心王浩研究員團隊《Adv. Mater.》：智能生物材料組學(xué) - 生物材料源頭發(fā)現(xiàn)到臨床轉(zhuǎn)化的變革工具
新材料是發(fā)展高端制造業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)。材料基因組學(xué)融合了高通量實驗、理論計算、以及大數(shù)據(jù)人工智能，成為引領(lǐng)材料科學(xué)研究的變革性新范式。這將催生新材料的發(fā)現(xiàn)，提高現(xiàn)有材料的技術(shù)成熟度，對提升材料的性能，縮短研制周期，降低成本都將產(chǎn)生巨大的影響。生物醫(yī)用材料領(lǐng)域是一個價值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，最大應(yīng)用是拯救生命和提高人類福利。然而，生物醫(yī)用納米材料由于其復(fù)雜的生物理環(huán)境應(yīng)用場景，其材料基因組學(xué)研究面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來，隨著高通量篩選技術(shù)以及機器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，建立在復(fù)雜生物理環(huán)境下的生物材料基因組學(xué)成為可能，并將推動納米藥物和疫苗的快速臨床轉(zhuǎn)化。
國家納米科學(xué)中心王浩研究員團隊基于在自組裝多肽和多肽-聚合物偶聯(lián)物的高通量合成和篩選、及其活體自組裝調(diào)控方面的研究基礎(chǔ)，近期在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Intelligent Biomaterialomics: Molecular Design, Manufacturing and Biomedical Applications”的綜述文章。該文章系統(tǒng)總結(jié)了生物醫(yī)用高分子、脂質(zhì)納米材料、多肽/蛋白、核酸適配體等生物納米材料的材料基因組學(xué)研究進展，詳細介紹了其高通量材料庫的分子設(shè)計與合成制備方法，材料的高通量表征、篩選和自動化制備，基于機器學(xué)習(xí)的構(gòu)效關(guān)系分析與材料設(shè)計指導(dǎo)，以及生物材料基因組學(xué)在藥物遞送等生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化進展（圖1）。
圖1.生物材料基因組學(xué)。通過建立高通量材料庫、高通量篩選與表征，采用機器學(xué)習(xí)分析構(gòu)效關(guān)系，加速生物醫(yī)用新材料的研發(fā)和轉(zhuǎn)化。
作者首先介紹了材料基因組學(xué)的發(fā)展情況及其在生物醫(yī)用材料中的進展，特別是高通量篩選技術(shù)以及機器學(xué)習(xí)在生物醫(yī)用材料中的發(fā)展歷史（圖2）。其中，美國在2011年啟動的“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative）以及中國在2015年啟動的“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”科技部重點專項（Materials Genome Engineering），極大地推動了新材料研究的變革性創(chuàng)新發(fā)展。
圖2. 生物材料基因組學(xué)發(fā)展中的重要事件。
其次，作者從分子設(shè)計層面介紹了高通量生物材料庫的構(gòu)建方法，包括基于共價組合化學(xué)方法（圖3），以及非共價自組裝方法（圖4）。在共價組合化學(xué)中，作者以表格的形式總結(jié)了構(gòu)建生物高分子材料庫的化學(xué)方法，包括活性聚合、Michael加成等。此外，作者還詳細列舉了四種構(gòu)建高通量多肽材料庫的方法，包括噬菌體展示技術(shù)（phage display technology）、mRNA展示技術(shù)（mRNA display technology）、DNA編碼化合物庫（DNA-encoded compounds）、一株一物化學(xué)組合多肽庫（one-bead-one-compound (OBOC) libraries）。而非共價自組裝方法則通過組裝基元的理性設(shè)計、自組裝過程及其動力學(xué)和熱力學(xué)的精準(zhǔn)調(diào)控，實現(xiàn)材料庫的高通量合成制備。
圖3. 共價組合化學(xué)構(gòu)建高通量生物材料庫。
圖4. 非共價自組裝方法構(gòu)建高通量生物材料庫。
接下來，作者介紹了生物材料的高通量制備方法，包括微流控技術(shù)（圖5），3D打印技術(shù)（圖6），以及基于人工智能和機器人的自動化合成技術(shù)等。
圖5. 基于微流控技術(shù)的高通量材料制備。
圖6. 基于3D打印的高通量材料制備。
接著，作者介紹了生物材料的高內(nèi)涵通量篩選，從細胞層面篩選，到基于病人來源的組織和細胞球、類器官芯片層面的篩選，再到直接在動物層面的活體篩選，逐級展開介紹（圖7）。
圖7. 高內(nèi)涵通量篩選及構(gòu)效關(guān)系分析。
然后，作者介紹了最新的高通量表征技術(shù)以及構(gòu)效關(guān)系的構(gòu)建。包括高通量動態(tài)光散射、高通量同步輻射小角X射線散射，以及高通量寬場表面增強拉曼散射等技術(shù)（圖8）。而隨著機器學(xué)習(xí)的發(fā)展，構(gòu)效關(guān)系分析也從納米材料中的單一變量分析進展到多變量復(fù)雜生物體系分析，例如將納米顆粒整體與488種標(biāo)記的細胞進行篩選并進行構(gòu)效關(guān)系分析、分析球形核酸中11個變量對其作為腫瘤疫苗影響、以及從210萬個藥物/賦形劑組合中篩選出高裝載率的納米藥物等。
圖8. 高內(nèi)涵通量篩選技術(shù)。
接下來，作者介紹了生物材料基因組學(xué)以及高通量篩選在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。包括器官選擇性mRNA遞送（SORT）、新冠mRNA疫苗（mRNA-1273）中可電離脂質(zhì)SM-102的開發(fā)、pH超敏探針的開發(fā)、以及機器學(xué)習(xí)篩選抗菌肽等（圖9）。同時，作者以表格的形式總結(jié)了近五年來納米診斷和治療藥物的臨床轉(zhuǎn)化情況。
圖9. 生物材料基因組學(xué)以及高通量篩選在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。
最后，作者指出了生物材料基因組學(xué)存在的問題和挑戰(zhàn)，包括人工智能如何精準(zhǔn)可靠地輔助生物材料的設(shè)計制備、快速高通量高內(nèi)涵表征技術(shù)的開發(fā)、高質(zhì)量和大批量的自動生產(chǎn)技術(shù)、對材料自組裝原理和規(guī)律的深入認識、高通量篩選的評價模型和平臺等，為今后的研究指明了方向。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305099
