I batteri sono nuotatori straordinariamente bravi, una caratteristica che può nuocere alla salute umana. Una delle infezioni batteriche più comuni in ambito sanitario deriva dai batteri che entrano nel corpo attraverso i cateteri, tubi sottili inseriti nel tratto urinario. Sebbene i cateteri siano progettati per aspirare i liquidi dal paziente, i batteri possono spingersi a monte e nel corpo attraverso i tubi del catetere utilizzando un movimento natatorio unico, causando 300 milioni di dollari di costi associati ai cateteri. infezioni urinarie negli Stati Uniti ogni anno.
Sopra, un diagramma dell’avanzamento batterico simulato lungo un tubo di catetere rivestito con sporgenze triangolari a forma di aletta. Sotto, un’immagine creata da un video ad alta velocità di batteri reali che tentano di nuotare controcorrente in un esperimento di laboratorio. Le traiettorie effettive dei batteri corrispondevano molto bene alle previsioni simulate.
Credito immagine: X. Wan
Ora, 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.
Un articolo che descrive lo studio appare sulla rivista Progressi della scienza. Il lavoro è stato una collaborazione tra i laboratori di Chiara DaraioG. Bradford Jones Professore di Ingegneria Meccanica e Fisica Applicata e Ricercatore dell’Heritage Medical Research Institute; Paolo SternbergBren Professore di Biologia; John Brady, Professore Chevron di Ingegneria Chimica e Ingegneria Meccanica; E Anima AnandkumarBren Professore di Informatica e Scienze Matematiche.
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 tubi 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. Da anni il laboratorio Sternberg conduce ricerche sui meccanismi di navigazione del nematode Caenorhabditis elegansun organismo del suolo delle dimensioni di un chicco di riso comunemente studiato nei laboratori di ricerca e quindi dotato 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. I tubi con inclusioni triangolari hanno 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 quindi fabbricato canali microfluidici analoghi ai comuni tubi di catetere con design triangolari ottimizzati per osservare il movimento dei Escherichia coli batteri in varie condizioni di flusso. Le traiettorie osservate del Escherichia 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 tubo. 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.
“Uno spirito collaborativo definisce Caltech”, afferma Sternberg. “Le persone del Caltech si aiutano a vicenda. Questo sforzo è stato davvero un viaggio interdisciplinare, che ha intrecciato diversi campi di studio”.
“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. “Sono molto fortunato ad essere al Caltech con così tanti colleghi di talento.”
Scritto da Lori Dajose
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
