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为细菌设计的迷宫,让它们无法感染人体

为细菌设计的迷宫,让它们无法感染人体

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片来源:Pixabay


撰文 | 乔安娜·汤普森(Joanna Thompson) 
翻译 | 施怿


每年,外科医生都会将超过1亿个导尿管放置到患者体内,这种设备可以挽救他们的生命,尤其是在手术后。但与此同时,很多使用导尿管的患者(占比为12.5%~25%)会患上导尿管相关尿路感染(CAUTI),这通常由管道内的细菌滋生引起。


目前,在人工智能(AI)的协助下,研究人员设计出了一种新型导尿管,它无需抗生素涂层,就可以将管内细菌的污染程度降低两个数量级。这种新型导尿管内部布满了三维几何结构,能阻止细菌在导尿管表面移动,侵入患者的膀胱。


计算机科学家阿尼马什里·阿南德库马尔(Animashree Anandkumar)是这项发表于《科学·进展》(Science Advances)的新研究的共同作者。他表示,对于细菌来说,普通导尿管就是一条畅通的道路。它们能沿导尿管攀爬,并在其内表面定居。当这些菌落在接近膀胱的导尿管部分聚集时,它们可能会侵入患者的尿道并导致尿路感染。


医生有时会在导尿管内壁涂上抗生素药物或银等金属制剂,以杀死入侵的细菌。但这些方法很昂贵,并且随着抗生素耐药菌的流行,效果也变得越来越差。这种新设备并不依赖特定涂层,而是通过其内部简单的几何结构来解决问题。


新型导尿管的内部排列着很多3D打印的、尖三角状的微小脊,形成了一条阻碍细菌移动的通道。当微生物试图逆流而上时,它们会撞到这些脊上,最终停下来或反弹回去。研究人员表示,这种设计可以减少昂贵和不必要的抗生素使用,延长导尿管的使用时间。


为了找到能完美抵御细菌的导尿管结构,阿南德库马尔和她的研究团队使用AI快速对导尿管的内部结构进行了数万次的数字模拟。一旦他们确定了一种能在多种模拟场景下阻挡细菌的最优方案,就会使用3D打印技术做出原型。


他们会在实验室中模拟导尿管运输尿液的场景,并将原型的另一端浸在含有大肠杆菌的肉汤中长达1小时。随后,他们获取导尿管内的细菌并培养了24小时。他们发现,这种3D打印导尿管中的细菌不到传统导尿管的百分之一。


 “这些结果非常令人兴奋”,美国克利夫兰诊所泌尿科医生格伦·韦内堡(Glenn Werneburg,并未参与这项研究)说。他指出,经过优化的新型导尿管已经可以抵抗大肠杆菌感染,这是CAUTI中最常见的一种微生物,不过也有其他细菌会在导尿管中定殖,并引起类似的感染。韦内堡说:“细菌在导尿管上会以生物膜的形式存在,我们已经了解到不同种类的细菌会有不同的行为方式。”他补充说,理想情况下,未来某种改良的导尿管设计方案或许可以同时阻止肠球菌和变形杆菌等微生物。


阿南德库马尔对此表示赞同。她表示,想要对这样的设计方案进行准确建模,可能需要进一步的研究,以及更多有关这些微生物特性的数据。她还表示,AI建模的潜力远不止设计导尿管。她还希望利用AI来帮助设计药物、节能的飞机螺旋桨等等。“在我看来,”她说,“这项研究只是一个开始。”

本文选自《环球科学》4月刊“前沿”栏目。

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