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研究意义已有研究报道,微泡介导的低频低强度超声(Low-frequency and Low-intensity Ultrasound,LFLIU)声孔效应能够显著增强抗生素的杀菌效果。微泡介导的声孔效应促进药物进入菌体是一个复杂的非线性过程,其药物传递效率受许多物理、化学参数的影响。如何确定实验参数与药物传递效率之间的量效关系,进而实现药物传递的控释,达到高效杀菌的目的成为目前的研究重点。结核病(Tuberculosis,TB)是全球死亡人数最多的传染病,其病原菌是结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,MTB)。MTB细胞壁厚、通透性差,且以巨噬细胞(Macrophage,Mф)内寄生为主,具有双层屏障而导致高耐药性的特点。耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis,MS)与MTB有相似的遗传学特性,并且生长快,没有生物危害性,常被用于MTB研究的生物模式菌。本研究选用MS作为实验研究对象,旨在建立微泡介导的声孔效应促进药物进入MS的辨识模型,实现不同实验参数下药物传递效率的预测,有望为微泡介导的声孔效应增强抗生素杀菌效果的参数优化等问题提供一种理论解决手段。目的通过建立微泡介导的LFLIU声孔效应促进药物进入MS的辨识模型,实现一定范围内不同实验参数下药物传递效率的预测,进而通过合理的参数选择实现药物传递的控释,达到高效杀灭MS的目的。方法1.声空化对巨噬细胞损伤效应的人工神经网络模型建立:本课题组前期研究了频率为42kHz、强度为0.13-0.34W/cm~2连续可调的LFLIU在不同声参数(超声强度、辐照时间)条件下,超声辐照对体外培养的Mф活性的影响。本研究基于本课题组前期谢霜等的实验研究数据,采用人工神经网络算法,建立声参数与空化效应之间的量效关系模型。鉴于空化效应的复杂性和非线性,不良的训练样本选择易导致模型失配。随机抽取训练样本无法确定选取的训练样本个数,并且存在较强的不确定性。本文基于多模型思想选取训练样本,从而克服因训练样本选取不当而造成的模型失配问题,为训练样本的选择提供了理论依据,实现传统人工神经网络的改进,为下一步研究微泡介导的声孔效应促进药物传递的模型辨识奠定理论基础。2.微泡介导的声孔效应促进药物进入MS的模型辨识:微泡介导的声孔效应促进药物进入MS是一个复杂的非线性过程。本文采用多变量生物学实验探究了不同的LFLIU强度、辐照时间、药物浓度以及是否引入微泡等因素对药物传递效率的影响。选用频率为42kHz,换能器直径1cm,输出声强范围0.15~0.6 W/cm~2连续可调的超声波发射仪。各个实验分组在实验结束后,通过平板菌落计数法测定MS存活率。MS存活率作为药物传递效率的评价指标,MS存活率越低,表明药物传递效率越高。基于上述生物学实验研究数据,采用人工神经网络算法建立实验参数与药物传递效率之间的量效关系模型。鉴于微泡介导的声孔效应促进药物传递过程的复杂性和非线性,不良的训练样本选择易导致模型失配。随机抽取训练样本无法确定选取的训练样本个数,并且存在较强的不确定性。本文基于多模型思想选取训练样本,从而克服因训练样本选取不当而造成的模型失配问题,为训练样本的选择提供了理论依据,实现传统人工神经网络的改进。经过合理公式推导,从而确定神经网络的输入及输出变量。采用误差反馈神经网络算法进行网络训练,由此构建输入与输出变量之间的映射关系。通过将多模型思想与传统神经网络相结合,从而建立实验参数与药物传递效率之间的量效关系模型。结果1.成功建立了声空化对巨噬细胞损伤效应的人工神经网络模型:本文基于多模型思想与人工神经网络相结合,构建了空化效应对Mф损伤效应的辨识模型。辨识结果表明,改进的人工神经网络模型具有较高的辨识精度,可以在一定程度上取代高成本的生物学实验(误差指数EI=0.0137;预测准确度PA=100%)。2.成功建立了微泡介导的声孔效应促进药物传递进入MS的辨识模型:在载药微泡协同声孔效应促进药物进入MS的生物学实验研究中,实验结果表明,超声强度、辐照时间、左氧氟沙星浓度以及微泡的引入均会影响药物传递效果。随着微泡的引入,以及超声强度,辐照时间和左氧氟沙星浓度的增大,药物传递效率越高。基于上述生物学实验研究数据,本文采用人工神经网络算法建立的该复杂生物效应的辨识模型具有较高的辨识精度。相比于传统的ANN模型,基于多模型思想选取训练样本,可以有效地避免模型失配问题,为神经网络模型训练样本的选取提供了理论依据,实现传统神经网络模型的改进。(传统ANN模型:误差指数EI=0.5018、预测准确度PA=11.11%;改进的ANN模型:误差指数EI=0.0298、预测准确度PA=90.54%)。结论1.本文提出的基于多模型思想选取训练样本可以有效地避免传统神经网络模型因训练样本选取不当而造成的模型失配,为训练样本的选取提供了理论依据,实现传统神经网络模型的改进。2.本文建立的微泡介导的声孔效应促进药物传递进入MS的辨识模型具有较高的辨识精度,能够实现一定范围内不同实验参数下药物传递效率的预测,进而通过合理的参数选择实现药物传递的控释,达到高效杀灭MS的目的。