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 i cateteri, cannule sottili inserite nel tratto urinario, sebbene siano progettati per aspirare i fluidi dal paziente, i batteri sono in grado di spingersi a monte e nel corpo attraverso le cannule del catetere utilizzando un movimento natatorio unico, ciò procura ogni anno negli Stati Uniti una spesa di 300 milioni di dollari per infezioni urinarie associate ai cateteri.
Il California Institute of Technology (Caltech) un’università di ricerca privata a Pasadena, in California, ora ha progettato un nuovo tipo di catetere che impedisce la mobilità a monte dei batteri, senza la necessità di antibiotici o altri metodi antimicrobici chimici.
È stato evidenziato che 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.
Il nuovo progetto pubblicato nella rivista Science Advances è nato dalla collaborazione tra i laboratori di Chiara Daraio; G. Bradford Jones Professore di Ingegneria Meccanica e Fisica Applicata e Investigatore dell’Heritage Medical Research Institute; Paul Sternberg, professore di biologia di Bren; John Brady, Professore Chevron di Ingegneria Chimica e Ingegneria Meccanica; e Anima Anandkumar, professore Bren di scienze informatiche e matematiche.
Il fluido nella cannula del catetere, mostra la cosiddetta legge di Poiseuille, un effetto in cui il movimento del fluido è più veloce al centro ma lento vicino alle pareti, simile al flusso della corrente di un fiume, in cui la velocità dell’acqua varia da veloce al centro a lenta vicino alle sponde.
I batteri, in quanto organismi semoventi, mostrano un movimento unico di “due passi in avanti lungo la parete, un passo indietro al centro” che produce il loro avanzamento nelle strutture tubolari. I ricercatori del laboratorio di John Brady avevano già modellato questo fenomeno.
Tingtao Edmond Zhou, borsista post-dottorato in ingegneria chimica e co-autore dello studio, ha affermato:
«Un giorno ho condiviso questo fenomeno intrigante con Chiara Daraio, inquadrandolo semplicemente come una “cosa bella”. La sua risposta ha spostato la conversazione verso un’applicazione pratica. La ricerca di Chiara Daraio gioca spesso con ogni tipo di geometria interessante, lei ha suggerito di affrontare questo problema con semplici geometrie”.
Il team di ricercatori seguendo questo suggerimento, ha progettato cannule del catetere con sporgenze triangolari, come pinne di squalo, lungo le pareti interne delle cannule. Le simulazioni hanno dato risultati promettenti: queste strutture geometriche reindirizzavano efficacemente il movimento dei batteri, spingendoli verso il centro della cannula, dove il flusso più veloce li respingeva a valle. La curvatura a pinna dei triangoli ha inoltre generato vortici che hanno ulteriormente ostacolato l’avanzamento dei batteri.
Lo schema del nuovo design del catetere mostra le sporgenze triangolari simili a pinne che rivestono l’interno della parete del catetere, creando turbolenze che ostacolano la risalita dei batteri lungo la cannula del catetere: il flusso normale del catetere è a destra, mentre i batteri (in giallo) cercano di risalire la corrente a sinistra: (vedi immagine) per gentile concessione di Olivia Xuan Wan.
Tingtao Edmond Zhou e i suoi collaboratori volevano verificare sperimentalmente il progetto, ma avevano bisogno di ulteriori competenze biologiche, per questo si sono rivolti a Olivia Xuan Wan, borsista post-dottorato nel laboratorio di Pau Sternberg.
Olivia Xuan Wan coautrice del nuovo lavoro ha affermato:
«Studio la navigazione dei nematodi, questo progetto ha coinciso perfettamente con il mio interesse specialistico per le traiettorie di movimento».
Il laboratorio di Pau Sternberg per anni ha condotto ricerche sui meccanismi di navigazione del nematode Caenorhabditis elegans, un organismo terricolo delle dimensioni di un chicco di riso, comunemente studiato nei laboratori di ricerca attrezzati con molti strumenti per osservare e analizzare anche i movimenti di organismi microscopici.
Il team di ricercatori è passato rapidamente dalla modellazione teorica alla sperimentazione pratica, utilizzando tubi cateteri stampati in 3D e telecamere ad alta velocità per monitorare i progressi dei batteri. I tubi con inclusioni triangolari hanno portato a una riduzione del movimento batterico a monte di due ordini di grandezza (una diminuzione di 100 volte).
Il team di ricercatori ha poi continuato le simulazioni per determinare la forma triangolare dell’ostacolo più efficace per impedire il nuoto a monte dei batteri. Hanno quindi fabbricato canali microfluidici analoghi alle comuni cannule per cateteri con i disegni triangolari ottimizzati per osservare il movimento dei batteri E. coli in varie condizioni di flusso. Le traiettorie dell’E. coli osservate all’interno di questi ambienti microfluidici si sono allineate quasi perfettamente con le simulate previsioni.
La collaborazione è cresciuta perché i ricercatori volevano continuare a migliorare il design geometrico del tubo. Gli esperti di intelligenza artificiale del laboratorio Anandkumar hanno fornito al progetto metodi di intelligenza artificiale all’avanguardia, chiamati operatori neurali, questa tecnologia è stata in grado di accelerare i calcoli per l’ottimizzazione del design del catetere in modo che non richiedessero giorni ma minuti. Il modello risultante ha proposto modifiche al design geometrico, ottimizzando ulteriormente le forme dei triangoli 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.
Pau Sternberg ha affermato:
«Lo spirito di collaborazione caratterizza il California Institute of Technology (Caltech), le persone si aiutano a vicenda, questo progetto è stato davvero un viaggio interdisciplinare, che ha intrecciato diversi campi di studio».
Tingtao Edmond Zhou in conclusione ha affermato:
«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, sono molto fortunato a lavorare al Caltech con tanti colleghi di talento».
