Inteligentny kształt
Co roku zakłada się ponad 100 mln cewników urologicznych, które mogą ratować życie, szczególnie po operacjach chirurgicznych. Jednak u wielu osób, które ich używają – około jednej czwartej użytkowników w krajach rozwijających się i około jednej ósmej w USA – dochodzi do zakażenia dróg moczowych związanego z założonym cewnikiem (catheter-associated urinary tract infection, CAUTI), zwykle spowodowanego przez bakterie gromadzące się wewnątrz rurki.
Naukowcy wspomagani przez sztuczną inteligencję zaprojektowali teraz nowy cewnik, który według nich może zmniejszyć skażenie bakteryjne nawet o dwa rzędy wielkości – bez użycia antybiotyków. Jego powierzchnię wewnętrzną pokrywają trójwymiarowe struktury, które pomagają zapobiegać przedostawaniu się bakterii do pęcherza moczowego.
„W normalnym cewniku nie ma wewnątrz żadnych fizycznych struktur” – mówi informatyczka Animashree Anandkumar, współautorka nowego badania, opisanego w „Science Advances”. W rezultacie powstaje tam autostrada dla bakterii, które mogą przedostać się do niego z zewnątrz i skolonizować jego wewnętrzną powierzchnię. Gdy takie kolonie powstaną w cewniku w pobliżu pęcherza moczowego, mogą przedostać się do dróg moczowych i doprowadzić do CAUTI.
W przeszłości lekarze wykorzystywali czasami cewniki o powierzchni wewnętrznej pokrytej antybiotykami albo metalami takimi, jak srebro, które miały zabijać bakterie. Jednak takie metody mogą być kosztowne, a ich skuteczność spada wobec wzrostu częstości występowania oporności bakterii na antybiotyki. Nowe cewniki zwalczają mikroorganizmy bez użycia specjalistycznych powłok – wystarczy odpowiednia budowa geometryczna.
Wnętrze cewnika wyściełają maleńkie, wydrukowane w 3D ostre wypustki w kształcie trójkątów, tworząc dla bakterii rodzaj toru przeszkód. Kiedy mikroorganizmy próbują płynąć pod prąd, wpadają na te wypustki i w efekcie zatrzymują się albo odbijają z powrotem w dół. Taka budowa może zdaniem naukowców pomóc w ograniczeniu kosztownych i niepotrzebnych antybiotyków oraz przedłużyć dopuszczalny czas stosowania cewnika. Chcąc określić, jakie ukształtowanie labiryntu będzie najskuteczniej odpierać bakterie, Anandkumar i jej zespół wykorzystali sztuczną inteligencję do szybkiego przeprowadzenia dziesiątek tysięcy symulacji na cyfrowych modelach cewników. Kiedy znaleźli kształt najskuteczniej blokujący wirtualne bakterie w różnych warunkach w modelu komputerowym, wydrukowali w 3D prototyp i przetestowali go w laboratorium z zastosowaniem płynnej pożywki zawierającej bakterie Escherichia coli. Po 24 godzinach w eksperymentalnym cewniku nabudowała się mniej niż jedna setna kolonii bakteryjnych w porównaniu do tradycyjnego cewnika, który został także wydrukowany w 3D i użyty w badaniu.
„To niezwykle ekscytujące wyniki” – mówi Glenn Werneburg, urolog z Cleveland Clinic, który nie brał udziału w tym projekcie. Zwraca uwagę, że nowy cewnik zoptymalizowano pod kątem odporności na E. coli – jeden z gatunków mikroorganizmów najczęściej powiązanych z CAUTI – jednak znane są także inne gatunki kolonizujące cewniki i prowadzące do infekcji. „Bakterie występują na powierzchni cewników w postaci biofilmu, a wiemy, że różne gatunki bakterii różnie się zachowują” – mówi Werneburg. Dodaje, że idealny przyszły zmodyfikowany kształt powinien być niedostępny także dla innych mikroorganizmów, na przykład bakterii Enterococcus i Proteus. Anandkumar zgadza się z Werneburgiem, wskazując że dokładne modelowanie takich kształtów może wymagać dalszych badań i więcej informacji na temat właściwości tych mikroorganizmów. Zanim projekt stworzony przez sztuczną inteligencję będzie mógł trafić do produkcji, naukowcy będą także musieli go sprawdzić w warunkach klinicznych.
Anandkumar uważa, że takie modelowanie można stosować nie tylko dla cewników: ma nadzieję wykorzystać sztuczną inteligencję m.in. do pomocy przy opracowywaniu leków projektowania śmigieł samolotów zapewniających wysoką sprawność. „Dla mnie to dopiero początek” – mówi.