Оптимизированная с помощью искусственного интеллекта конструкция катетера может предотвратить инфекции мочевыводящих путей без лекарств

К Джоанна Томпсон

Ежегодно более 100 миллионов человек во всем мире нуждаются в установке мочевого катетера. Устройства могут спасти жизнь, особенно после операции. Но у многих из тех, кто их использовал — около четверти в развивающихся странах и примерно восьмой в США — может развиться катетер-ассоциированная инфекция мочевыводящих путей (CAUTI), обычно вызываемая бактериями, скапливающимися внутри трубки.

Теперь, с помощью искусственного интеллекта, исследователи разработали новый катетер, который, по их словам, может снизить бактериальное загрязнение на два порядка – без антибиотиков. Его внутренняя часть украшена трехмерными геометрическими фигурами, которые помогают предотвратить проникновение бактерий. «Это довольно впечатляющие результаты», — говорит Гленн Вернебург, уролог Кливлендской клиники, который не участвовал в новом исследовании, которое опубликовано недавно в Достижения науки.

«В обычном катетере внутри нет физической формы», — говорит соавтор исследования Анимашри Анандкумар, ученый-компьютерщик из Калифорнийского технологического института. Это оставляет гладкую дорогу для бактерий, которые могут проникнуть наружу и колонизировать внутреннюю поверхность. Когда колонии накапливаются в катетере рядом с мочевым пузырем, они могут попасть в мочевыводящие пути, что приведет к CAUTI.

В прошлом врачи иногда покрывали внутренние стенки катетеров антибиотиками или металлическими веществами, такими как серебро, для уничтожения бактерий. Но такие методы могут быть дорогими, а также неэффективными, поскольку устойчивые к антибиотикам бактерии становятся все более распространенными. Новое устройство не использует специальное покрытие для отпугивания микробов; простая геометрия делает свое дело. Ряд крошечных гребней, напечатанных на 3D-принтере и имеющих форму острых треугольников, выстилает внутреннюю часть катетера, образуя своего рода полосу препятствий для бактерий. Когда микробы пытаются плыть вверх по течению, они натыкаются и падают на гребни, в конечном итоге останавливаясь или отскакивая вниз по течению. Такая конструкция может помочь сократить количество дорогих и ненужных антибиотиков и продлить срок использования катетера.

Чтобы найти идеальный лабиринт, отталкивающий бактерии, Анандкумар и ее команда использовали искусственный интеллект, чтобы быстро провести цифровые модели катетеров через десятки тысяч симуляций. Как только они остановились на конструкции, которая лучше всего блокирует виртуальные бактерии в нескольких сценариях компьютерной модели, они распечатали прототип в 3D и протестировали его в лаборатории с бульоном, содержащим кишечная палочка бактерии. Через 24 часа экспериментальное устройство создало почти в 100 раз меньше колоний бактерий, чем традиционный катетер, который исследователи напечатали на 3D-принтере и протестировали вместе с ним.

Новый катетер в настоящее время оптимизирован только для того, чтобы противостоять кишечная палочка— один из наиболее распространенных микробов, вызывающих ОМОИ. Однако известно, что другие виды колонизируют катетеры и вызывают инфекцию. «Бактерии на катетерах присутствуют в виде биопленок, и мы знаем, что разные виды бактерий ведут себя по-разному», — говорит Вернебург. Он добавляет, что команде, возможно, придется разработать модифицированную будущую конструкцию, которая также будет недоступна для других микробов, таких как Энтерококк и Протей бактерии.

Анандкумар соглашается и говорит, что точное моделирование новых конструкций может потребовать дальнейших исследований и получения дополнительных данных о физических и химических свойствах этих микробов. Ученым также необходимо будет протестировать свою конструкцию в клинических условиях, прежде чем ее можно будет широко производить. Анандкумар говорит, что потенциал ИИ-моделирования выходит далеко за рамки катетеров: она надеется использовать ИИ для разработки лекарств, энергоэффективных пропеллеров самолетов и многого другого. «Для меня, — говорит она, — это только начало».