Καθετήρας: Τα βακτήρια είναι εξαιρετικά καλοί κολυμβητές – ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να αποβεί επιζήμιο για την ανθρώπινη υγεία. Μία από τις πιο συχνές βακτηριακές λοιμώξεις σε χώρους υγειονομικής περίθαλψης προέρχεται από βακτήρια που εισέρχονται στο σώμα μέσω καθετήρων, λεπτών σωλήνων που εισάγονται στο ουροποιητικό σύστημα. Αν και οι καθετήρες έχουν σχεδιαστεί για να τραβούν υγρά από τον ασθενή, τα βακτήρια είναι σε θέση να προωθηθούν προς τα πάνω και μέσα στο σώμα μέσω των σωλήνων του καθετήρα χρησιμοποιώντας μια μοναδική κίνηση κολύμβησης, προκαλώντας 300 εκατομμύρια δολάρια σε ουρολοιμώξεις που σχετίζονται με καθετήρες στις ΗΠΑ ετησίως
Τώρα, ένα διεπιστημονικό πρόγραμμα στο Caltech σχεδίασε έναν νέο τύπο σωλήνα καθετήρα που εμποδίζει την ανάντη κινητικότητα των βακτηρίων, χωρίς την ανάγκη αντιβιοτικών ή άλλων χημικών αντιμικροβιακών μεθόδων. Με τον νέο σχεδιασμό, ο οποίος βελτιστοποιήθηκε με νέα τεχνολογία τεχνητής νοημοσύνης (AI), ο αριθμός των βακτηρίων που είναι σε θέση να κολυμπήσουν προς τα πάνω σε εργαστηριακά πειράματα μειώθηκε κατά 100 φορές. Η δημοσίευση με τίτλο “AI-aided geometric design of anti-infection catheters” (Γεωμετρικός σχεδιασμός καθετήρων κατά της μόλυνσης με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης) έγινε στο περιοδικό Science Advances στις 3 Ιανουαρίου. Στους καθετηριακούς σωλήνες, το υγρό παρουσιάζει τη λεγόμενη ροή Poiseuille, ένα φαινόμενο όπου η κίνηση του υγρού είναι ταχύτερη στο κέντρο αλλά αργή κοντά στο τοίχωμα, παρόμοια με τη ροή στο ρεύμα ενός ποταμού, όπου η ταχύτητα του νερού ποικίλλει από γρήγορη στο κέντρο σε αργή κοντά στις όχθες. Τα βακτήρια, ως αυτοκινούμενοι οργανισμοί, παρουσιάζουν μια μοναδική κίνηση “δύο βήματα μπροστά κατά μήκος του τοιχώματος, ένα βήμα πίσω στη μέση”, η οποία παράγει την πρόοδό τους σε σωληνοειδείς δομές. Οι ερευνητές του εργαστηρίου Brady είχαν μοντελοποιήσει προηγουμένως αυτό το φαινόμενο. “Μια μέρα, μοιράστηκα αυτό το ενδιαφέρον φαινόμενο με την Chiara Daraio, διαμορφώνοντάς το απλά ως ένα “ωραίο πράγμα”, και η απάντησή της μετατόπισε τη συζήτηση προς μια πρακτική εφαρμογή”, λέει ο Tingtao Edmond Zhou, μεταδιδακτορικός ερευνητής στη χημική μηχανική και συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης. “Η έρευνα της Chiara παίζει συχνά με κάθε είδους ενδιαφέρουσες γεωμετρίες και πρότεινε να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα με απλές γεωμετρίες”. Ακολουθώντας αυτή την πρόταση, η ομάδα σχεδίασε σωλήνες με τριγωνικές προεξοχές, σαν πτερύγια καρχαρία, κατά μήκος του εσωτερικού των τοιχωμάτων του σωλήνα. Οι προσομοιώσεις απέδωσαν ελπιδοφόρα αποτελέσματα: Αυτές οι γεωμετρικές δομές ανακατεύθυναν αποτελεσματικά την κίνηση των βακτηρίων, προωθώντας τα προς το κέντρο του σωλήνα, όπου η ταχύτερη ροή τα έσπρωχνε πίσω στο ρεύμα. Η καμπυλότητα των τριγώνων που έμοιαζε με πτερύγιο δημιουργούσε επίσης δίνες που διέκοπταν περαιτέρω την πρόοδο των βακτηρίων. Ο Zhou και οι συνεργάτες του στόχευσαν να επαληθεύσουν πειραματικά τον σχεδιασμό, αλλά χρειάστηκαν πρόσθετες γνώσεις βιολογίας. Για τον σκοπό αυτό, ο Zhou απευθύνθηκε στην Olivia Xuan Wan, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο Sternberg. “Μελετώ την πλοήγηση των νηματωδών και αυτό το έργο είχε μεγάλη απήχηση στο εξειδικευμένο ενδιαφέρον μου για τις τροχιές κίνησης”, λέει η Wan, η οποία είναι επίσης συν-πρώτη συγγραφέας στη νέα δημοσίευση. Για χρόνια, το εργαστήριο Sternberg διεξήγαγε έρευνα σχετικά με τους μηχανισμούς πλοήγησης του νηματώδη Caenorhabditis elegans, ενός οργανισμού εδάφους σε μέγεθος κόκκου ρυζιού που συνήθως μελετάται στα ερευνητικά εργαστήρια και έτσι διέθετε πολλά από τα εργαλεία για την παρατήρηση και την ανάλυση των κινήσεων των μικροσκοπικών οργανισμών. Η ομάδα πέρασε γρήγορα από τη θεωρητική μοντελοποίηση στον πρακτικό πειραματισμό, χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα εκτυπωμένους σωλήνες καθετήρα και κάμερες υψηλής ταχύτητας για την παρακολούθηση της προόδου των βακτηρίων.
Οι σωλήνες με τα τριγωνικά εγκλείσματα είχαν ως αποτέλεσμα τη μείωση της ανάντη κίνησης των βακτηρίων κατά δύο τάξεις μεγέθους (μείωση κατά 100 φορές). Στη συνέχεια, η ομάδα συνέχισε τις προσομοιώσεις για να καθορίσει το πιο αποτελεσματικό σχήμα τριγωνικού εμποδίου για να παρεμποδίσει την ανάντη κολύμβηση των βακτηρίων. Στη συνέχεια κατασκεύασαν μικρορευστικά κανάλια ανάλογα με τους κοινούς σωλήνες καθετήρα με τα βελτιστοποιημένα τριγωνικά σχέδια για να παρατηρήσουν την κίνηση των βακτηρίων E. coli υπό διάφορες συνθήκες ροής. Οι παρατηρούμενες τροχιές των E. coli μέσα σε αυτά τα μικρορευστοδυναμικά περιβάλλοντα ευθυγραμμίστηκαν σχεδόν απόλυτα με τις προσομοιωμένες προβλέψεις. Η συνεργασία αναπτύχθηκε καθώς οι ερευνητές είχαν ως στόχο να συνεχίσουν να βελτιώνουν τον γεωμετρικό σχεδιασμό του σωλήνα. Οι ειδικοί της τεχνητής νοημοσύνης στο εργαστήριο Anandkumar παρείχαν στο έργο μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης αιχμής που ονομάζονται νευρωνικοί τελεστές. Αυτή η τεχνολογία ήταν σε θέση να επιταχύνει τους υπολογισμούς βελτιστοποίησης του σχεδιασμού του καθετήρα, ώστε να μην απαιτούνται ημέρες αλλά λεπτά. Το μοντέλο που προέκυψε πρότεινε βελτιώσεις στον γεωμετρικό σχεδιασμό, βελτιστοποιώντας περαιτέρω τα τριγωνικά σχήματα για να αποτρέψει ακόμη περισσότερα βακτήρια από το να κολυμπήσουν προς τα πάνω. Ο τελικός σχεδιασμός βελτίωσε την αποτελεσματικότητα των αρχικών τριγωνικών σχημάτων κατά 5% επιπλέον στις προσομοιώσεις. “Το ταξίδι μας από τη θεωρία στην προσομοίωση, το πείραμα και, τέλος, στην παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο μέσα σε αυτά τα μικρορευστοδυναμικά τοπία είναι μια συναρπαστική επίδειξη του πώς οι θεωρητικές έννοιες μπορούν να γίνουν πραγματικότητα, προσφέροντας απτές λύσεις σε πραγματικές προκλήσεις”, λέει ο Zhou.