Бактерии очень хорошо плавают и эта их особенность может пагубно сказаться на здоровье человека.
Одна из самых распространенных бактериальных инфекций в медицинских учреждениях возникает в результате попадания бактерий в организм через катетеры, вставляемые в мочеиспускательный канал. Хотя катетеры предназначены для отвода жидкостей из организма пациента, бактерии способны проникать в организм через катетер, используя уникальные плавательные движения, что ежегодно, только в США приводит к расходам по борьбе с катетер-ассоциированными инфекциями мочевыводящих путей на сумму 300 миллионов долларов.
Благодаря междисциплинарному проекту Калифорнийского технологического института был разработан новый дизайн катетера, который препятствует движению бактерий вверх по течению, не требуя применения антибиотиков или других химических противомикробных методов. С помощью новой конструкции, которая была оптимизирована с помощью искусственного интеллекта (ИИ), количество бактерий, способных плыть против течения в лабораторных экспериментах, было сокращено в 100 раз. Статья "Геометрический дизайн антиинфекционных катетеров, разработанный с помощью искусственного интеллекта" была опубликована в журнале Science Advances 3 января.
В катетерных трубках жидкость демонстрирует так называемое течение Пуазейля - эффект, при котором движение жидкости происходит быстрее в центре и медленнее у стенки, подобно течению реки, где скорость воды меняется от быстрой в центре до медленной у берегов. Бактерии, как самодвижущиеся организмы, демонстрируют уникальное движение "два шага вперед вдоль стенки, один шаг назад в середине", которое обеспечивает их продвижение в трубчатых структурах. Исследователи и ранее уже моделировали это явление.
"Однажды я поделился этим интригующим явлением со своей коллегой Кьярой Дарайо, объяснив его просто как "классную штуку", но ее реакция заставила перевести разговор на практическое применение", - рассказал Тингтао Эдмонд Чжоу, один из первых авторов статьи. "В своих исследованиях Кьяра часто играет со всевозможными интересными геометриями, и она предложила решить эту проблему с помощью простых геометрических форм".
Следуя этому предложению, команда разработала трубки с треугольными выступами, похожими на акульи плавники, вдоль внутренних стенок катетера. Моделирование дало многообещающие результаты: эти геометрические структуры эффективно перенаправляли движение бактерий, направляя их к центру трубки, где более быстрый поток выталкивал их обратно вниз по течению. Треугольники похожие на плавники также создавали вихри, которые еще больше мешали продвижению бактерий. Чжоу и его соавторы поставили перед собой цель проверить эту конструкцию экспериментально, но для этого им потребовались дополнительные знания в области биологии. Для этого Чжоу обратился к Оливии Сюань Ван.
"Я изучаю навигацию нематод, и этот проект нашел отклик за счет моего интереса к траекториям движения", - делится Ван, которая также является одним из первых авторов новой статьи. В течение многих лет ее лаборатория проводила исследования механизмов навигации нематоды Caenorhabditis elegans, почвенного организма размером с рисовое зерно, который обычно изучается в исследовательских лабораториях и, таким образом, ее лаборатория обладала многими инструментами для наблюдения и анализа движений микроскопических организмов. Команда быстро перешла от теоретического моделирования к практическим экспериментам, используя 3D-напечатанные катетерные трубки и высокоскоростные камеры для наблюдения за продвижением бактерий. Трубки с треугольными включениями привели к сокращению движения бактерий вверх по течению на два порядка (уменьшение в 100 раз).
Затем исследователи продолжили моделирование, чтобы определить наиболее эффективную форму треугольного препятствия, мешающего бактериям плыть вверх по течению. После этого они изготовили микрофлюидные каналы, аналогичные обычным катетерным трубкам, с оптимизированными треугольными конструкциями, чтобы наблюдать за движением бактерий E. coli при различных условиях потока. Наблюдаемые траектории движения кишечной палочки в этих микрофлюидных средах практически полностью совпадали с моделируемыми предсказаниями.
Сотрудничество развивалось по мере того, как исследователи стремились продолжать совершенствовать геометрический дизайн трубок. Специалисты по искусственному интеллекту обеспечили проект передовыми методами ИИ, называемыми нейрооператорами. Эта технология позволила ускорить вычисления по оптимизации дизайна катетера, так что они занимали не дни, а минуты. Полученная модель предложила внести изменения в геометрический дизайн, дополнительно оптимизировав форму треугольника, чтобы предотвратить попадание еще большего количества бактерий. Окончательный дизайн повысил эффективность первоначальных треугольных форм еще на 5% при моделировании.
"Наш путь от теории к моделированию, эксперименту и, наконец, к мониторингу в реальном времени в этих микрофлюидных ландшафтах является убедительной демонстрацией того, как теоретические концепции могут быть воплощены в жизнь, предлагая осязаемые решения реальных проблем", - утверждает Чжоу.
