Mithilfe von KI hilft neues Katheterdesign, bakterielle Infektionen zu verhindern

Bakterien sind bemerkenswert gute Schwimmer – eine Eigenschaft, die der menschlichen Gesundheit schaden kann. Eine der häufigsten bakteriellen Infektionen im Gesundheitswesen entsteht dadurch, dass Bakterien über Katheter, dünne Schläuche, die in den Harntrakt eingeführt werden, in den Körper gelangen. Obwohl Katheter dafür konzipiert sind, Flüssigkeiten aus einem Patienten zu ziehen, können sich Bakterien mithilfe einer einzigartigen Schwimmbewegung über Katheterschläuche stromaufwärts und in den Körper bewegen und so in den USA jedes Jahr katheterbedingte Harnwegsinfektionen im Wert von 300 Millionen US-Dollar verursachen.

Jetzt hat ein interdisziplinäres Projekt am Caltech einen neuen Katheterschlauchtyp entwickelt, der die Upstream-Mobilität von Bakterien behindert, ohne dass Antibiotika oder andere chemische antimikrobielle Methoden erforderlich sind. Mit dem neuen Design, das durch neuartige Technologie der künstlichen Intelligenz (KI) optimiert wurde, konnte die Anzahl der Bakterien, die in Laborexperimenten flussaufwärts schwimmen können, um das Hundertfache reduziert werden.

Der Artikel „KI-unterstütztes geometrisches Design von Anti-Infektionskathetern“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte am 3. Januar.

In Katheterschläuchen weist die Flüssigkeit einen sogenannten Poiseuille-Fluss auf, einen Effekt, bei dem die Flüssigkeitsbewegung in der Mitte schneller, in der Nähe der Wand jedoch langsamer ist, ähnlich der Strömung in der Strömung eines Flusses, wo die Geschwindigkeit des Wassers in der Mitte von schnell abweicht in Ufernähe langsamer fahren. Als selbstfahrende Organismen zeigen Bakterien eine einzigartige Bewegung: „Zwei Schritte vorwärts entlang der Wand, einen Schritt zurück in der Mitte“, die ihr Vorwärtsfortschreiten in röhrenförmigen Strukturen bewirkt. Forscher im Brady-Labor hatten dieses Phänomen zuvor modelliert.

„Eines Tages erzählte ich Chiara Daraio von diesem faszinierenden Phänomen und bezeichnete es einfach als ‚coole Sache‘, und ihre Reaktion lenkte das Gespräch auf eine praktische Anwendung“, sagt Tingtao Edmond Zhou, Postdoktorand im Chemieingenieurwesen und Co-Doktorand Autor der Studie. „Chiaras Forschung spielt oft mit allen möglichen interessanten Geometrien und sie schlug vor, dieses Problem mit einfachen Geometrien anzugehen.“

Diesem Vorschlag folgend entwarf das Team Röhren mit dreieckigen Vorsprüngen, die Haifischflossen ähneln, entlang der Innenseite der Röhrenwände. Simulationen lieferten vielversprechende Ergebnisse: Diese geometrischen Strukturen lenkten die Bewegung der Bakterien effektiv um und trieben sie in Richtung der Mitte des Rohrs, wo sie durch die schnellere Strömung flussabwärts zurückgedrängt wurden. Die flossenartige Krümmung der Dreiecke erzeugte außerdem Wirbel, die das Bakterienwachstum zusätzlich störten.

Zhou und seine Mitarbeiter wollten das Design experimentell verifizieren, benötigten jedoch zusätzliches biologisches Fachwissen. Zu diesem Zweck wandte sich Zhou an Olivia Xuan Wan, eine Postdoktorandin im Sternberg-Labor.

„Ich beschäftige mich mit der Navigation von Nematoden, und dieses Projekt spiegelte mein spezielles Interesse an Bewegungstrajektorien wider“, sagt Wan, der auch Co-Erstautor der neuen Arbeit ist. Seit Jahren erforscht das Sternberg-Labor die Navigationsmechanismen des Nematoden Caenorhabditis elegans, eines reiskorngroßen Bodenorganismus, der häufig in Forschungslabors untersucht wird, und verfügt daher über viele Werkzeuge, um die Bewegungen mikroskopisch kleiner Organismen zu beobachten und zu analysieren.

Das Team wechselte schnell von der theoretischen Modellierung zum praktischen Experimentieren und nutzte 3D-gedruckte Katheterschläuche und Hochgeschwindigkeitskameras, um das Bakterienwachstum zu überwachen. Die Röhrchen mit dreieckigen Einschlüssen führten zu einer Verringerung der stromaufwärtigen Bakterienbewegung um zwei Größenordnungen (eine 100-fache Verringerung).

Anschließend setzte das Team die Simulationen fort, um die dreieckige Hindernisform zu ermitteln, die das Aufwärtsschwimmen von Bakterien am effektivsten verhindert. Anschließend stellten sie mikrofluidische Kanäle analog zu herkömmlichen Katheterschläuchen mit optimiertem dreieckigem Design her, um die Bewegung von E. coli-Bakterien unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu beobachten. Die beobachteten Flugbahnen von E. coli in diesen mikrofluidischen Umgebungen stimmten nahezu perfekt mit den simulierten Vorhersagen überein.

Die Zusammenarbeit wuchs, als die Forscher das geometrische Rohrdesign weiter verbessern wollten. Experten für künstliche Intelligenz im Anandkumar-Labor versorgten das Projekt mit modernsten KI-Methoden, sogenannten neuronalen Operatoren.

Diese Technologie war in der Lage, die Berechnungen zur Optimierung des Katheterdesigns zu beschleunigen, sodass sie nicht Tage, sondern Minuten dauerten. Das resultierende Modell schlug Änderungen am geometrischen Design vor und optimierte die Dreiecksformen weiter, um zu verhindern, dass noch mehr Bakterien flussaufwärts schwimmen. Das endgültige Design steigerte die Wirksamkeit der ursprünglichen dreieckigen Formen in Simulationen um weitere 5 %.

„Unsere Reise von der Theorie zur Simulation, zum Experiment und schließlich zur Echtzeitüberwachung innerhalb dieser mikrofluidischen Landschaften ist ein überzeugender Beweis dafür, wie theoretische Konzepte zum Leben erweckt werden können und greifbare Lösungen für Herausforderungen der realen Welt bieten“, sagt Zhou.