I batteri sono nuotatori straordinariamente bravi, una caratteristica che può essere dannosa per la salute umana. Una delle infezioni batteriche più comuni in ambito sanitario deriva dai batteri che entrano nel corpo attraverso il catetere, un tubo sottile inserito nel tratto urinario. Sebbene i cateteri siano progettati per aspirare i fluidi dal paziente, i batteri sono in grado di spingersi a monte e nel corpo attraverso i tubi utilizzando un movimento natatorio unico, causando ogni anno 300 milioni di dollari di infezioni urinarie.
Un progetto interdisciplinare al Caltech ha progettato un nuovo tipo di tubo catetere che impedisce la mobilità a monte dei batteri, senza la necessità di antibiotici o altri metodi antimicrobici chimici. Con il nuovo design, ottimizzato dalla nuova tecnologia di intelligenza artificiale (AI), il numero di batteri in grado di nuotare controcorrente negli esperimenti di laboratorio è stato ridotto di 100 volte.
L’articolo, “AI-aided geometric design of anti-infection catheters“, è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.
Catetere progettato dall”AI: ecco quali sono i vantaggi
Nei tubi del catetere, il fluido mostra un cosiddetto flusso Poiseuille, un effetto in cui il movimento del fluido è più veloce al centro ma lento vicino alla parete, simile al flusso nella corrente di un fiume, dove la velocità dell’acqua varia da veloce al centro rallentare in prossimità delle banche.
I batteri, in quanto organismi semoventi, esibiscono un movimento unico di “due passi avanti lungo la parete e un passo indietro nel mezzo” che produce il loro progresso in avanti nelle strutture tubolari. I ricercatori del laboratorio Brady avevano precedentemente modellato questo fenomeno.
“Un giorno ho condiviso questo fenomeno intrigante con Chiara Daraio, inquadrandolo semplicemente come una ‘cosa interessante’, e la sua risposta ha spostato la conversazione verso un’applicazione pratica”, afferma Tingtao Edmond Zhou, studioso post-dottorato in ingegneria chimica e co-primo autore dello studio. “La ricerca di Chiara spesso gioca con tutti i tipi di geometrie interessanti e lei ha suggerito di affrontare questo problema con geometrie semplici.”
Seguendo questo suggerimento, il team ha progettato un catetere con sporgenze triangolari, come pinne di squalo, lungo l’interno delle pareti del tubo. Le simulazioni hanno prodotto risultati promettenti: queste strutture geometriche reindirizzavano efficacemente il movimento dei batteri, spingendoli verso il centro del tubo dove il flusso più veloce li spingeva indietro a valle. La curvatura a pinna dei triangoli ha anche generato vortici che hanno ulteriormente interrotto il progresso batterico.
Zhou e i suoi collaboratori miravano a verificare il progetto sperimentalmente, ma necessitavano di ulteriori competenze in biologia. Per questo, Zhou si è rivolto a Olivia Xuan Wan, una studiosa post-dottorato nel laboratorio Sternberg.
“Studio la navigazione dei nematodi e questo progetto ha risuonato profondamente con il mio interesse specializzato per le traiettorie di movimento”, afferma Wan, che è anche uno dei primi autori del nuovo articolo.
Per anni, il laboratorio Sternberg ha condotto ricerche sui meccanismi di navigazione del nematode Caenorhabditis elegans, un organismo del suolo delle dimensioni di un chicco di riso comunemente studiato nei laboratori di ricerca e quindi disponeva di molti strumenti per osservare e analizzare i movimenti degli organismi microscopici.
Il team è passato rapidamente dalla modellazione teorica alla sperimentazione pratica, utilizzando tubi di catetere stampati in 3D e telecamere ad alta velocità per monitorare il progresso batterico. Il catetere con inclusioni triangolari ha comportato una riduzione del movimento batterico a monte di due ordini di grandezza (una diminuzione di 100 volte).
Il team ha poi continuato le simulazioni per determinare la forma triangolare dell’ostacolo più efficace per impedire ai batteri di nuotare controcorrente. Hanno poi fabbricato canali microfluidici analoghi ai comuni tubi di catetere con design triangolari ottimizzati per osservare il movimento dei batteri E. coli in varie condizioni di flusso. Le traiettorie osservate dell’E. coli all’interno di questi ambienti microfluidici si allineavano quasi perfettamente con le previsioni simulate.
La collaborazione è cresciuta poiché i ricercatori miravano a continuare a migliorare la progettazione geometrica del catetere. Gli esperti di intelligenza artificiale del laboratorio di Anandkumar hanno fornito al progetto metodi di intelligenza artificiale all’avanguardia chiamati operatori neurali.
Questa tecnologia è stata in grado di accelerare i calcoli di ottimizzazione della progettazione del catetere in modo che non richiedessero giorni ma minuti. Il modello risultante ha proposto modifiche al design geometrico, ottimizzando ulteriormente le forme triangolari per impedire a un numero ancora maggiore di batteri di nuotare a monte. Il progetto finale ha migliorato l’efficacia delle forme triangolari iniziali di un ulteriore 5% nelle simulazioni.
“Il nostro viaggio dalla teoria alla simulazione, all’esperimento e, infine, al monitoraggio in tempo reale all’interno di questi paesaggi microfluidici è una dimostrazione convincente di come i concetti teorici possano essere portati in vita, offrendo soluzioni tangibili alle sfide del mondo reale”, afferma Zhou.
Secondo un team di ricercatori internazionali, nuove scoperte su come i batteri possono mantenere un movimento di nuoto controcorrente persistente e veloce su distanze paragonabili a quelle di molti organi umani, potrebbero aiutare a prevenire infezioni potenzialmente letali.
Le migrazioni batteriche a monte spesso si verificano dove i liquidi scorrono in una direzione, come nel tratto urinario umano e nei tubi del catetere endovenosi e urinari. Fino a che punto e quanto velocemente i batteri possano nuotare controcorrente è stato a lungo poco compreso.
Ciò è dovuto principalmente all’incertezza su come i batteri mantengano un movimento persistente a monte nonostante dimostrino anche dinamiche di corsa e caduta: si muovono in avanti, ruzzolano in modo casuale, quindi si muovono di nuovo in un’altra direzione.
In un articolo pubblicato su Science Advances, i ricercatori hanno dimostrato quanto lontano possono viaggiare i batteri nel catetere nonostante quello che sembra essere un movimento irregolare. Il team ha progettato un esperimento con batteri E. coli che nuotavano contro il flusso del fluido in canali microfluidici , che hanno poi filmato. Hanno esaminato fino a che punto il confinamento fosse importante nel trasporto macroscopico dei batteri.
“Le nostre misurazioni suggeriscono che i batteri che nuotano controcorrente possono superare distanze paragonabili alle dimensioni degli organi umani, decine di millimetri in alcune decine di minuti in condizioni di elevato confinamento”, ha affermato Nuris Figueroa-Morales, ricercatore post-dottorato di bioingegneria della Penn State e autore principale dello studio. la pubblicazione.
“Nel tratto urinario umano, ad esempio, gli ureteri sono tubi con pareti muscolari che subiscono ondate successive di contrazione muscolare attiva per spostare il liquido dal rene alla vescica. Quando sono completamente contratti, collassano in una sezione trasversale a forma di fessura, molto ristretta , possibilmente favorevole alla migrazione batterica a monte anche attraverso il catetere”.
Il confinamento del flusso è un ingrediente essenziale per la contaminazione a monte. I batteri avanzano lungo percorsi a monte ma vengono interrotti dal trasporto a valle, quando vengono trasportati da flussi veloci vicino al centro del canale.
Quanto più ampio è il canale, tanto più batteri vengono trasportati indietro prima di riprendere il loro movimento a monte vicino alle pareti. In un canale stretto, come un catetere, i batteri si muovono molto più velocemente e in modo più coerente a monte, un effetto che i ricercatori hanno chiamato “supercontaminazione”. I loro risultati potrebbero spiegare perché alcune infezioni diventano rapidamente emergenze mediche pericolose per la vita.
“È un meccanismo fisico. Come una banderuola in una giornata ventosa, la geometria dei batteri li fa puntare a monte”, ha detto Figueroa-Morales. “I canali molto ristretti rendono questa migrazione a monte più drastica. Negli esperimenti, abbiamo reso i canali così stretti che la maggior parte dei batteri nuotava vicino alle pareti e nuotava a lungo controcorrente. I bordi del microcanale e il flusso aiutano semplicemente guidano i batteri direttamente a monte, provocando una rapida contaminazione”.
I risultati dello studio hanno implicazioni per la prevenzione delle emergenze mediche dovute a infezioni del sangue e altre contaminazioni. Ad esempio, per evitare la contaminazione batterica dei tubi di catetere endovenosi e urinari, le procedure ospedaliere richiedono la sostituzione periodica di questi dispositivi.
Questa procedura è dolorosa e comporta un alto rischio di ulteriori complicazioni. Secondo Figueroa-Morales, i risultati potrebbero aiutare a progettare nuove geometrie di flusso o trattamenti superficiali dei tubi di catetere per limitare la migrazione batterica a monte.
“La nostra ricerca potrebbe anche essere rilevante per le nuove tecnologie emergenti che cercano di migliorare la somministrazione mirata di farmaci , l’uso di batteri per il disinquinamento ambientale e la comprensione della diffusione di biocontaminanti nel suolo”, ha affermato Figueroa-Morales.