Auxiliado pela IA, novo design de cateter ajuda a prevenir infecções bacterianas

As bactérias são notavelmente boas nadadoras – uma característica que pode ser prejudicial à saúde humana. Uma das infecções bacterianas mais comuns em ambientes de saúde vem da entrada de bactérias no corpo através de cateteres, tubos finos inseridos no trato urinário. Embora os cateteres sejam projetados para extrair fluidos de um paciente, as bactérias são capazes de se impulsionar rio acima e para dentro do corpo através de tubos de cateter usando um movimento único de natação, causando anualmente US$ 300 milhões em infecções urinárias associadas a cateteres nos EUA.

Agora, um projeto interdisciplinar da Caltech desenvolveu um novo tipo de tubo de cateter que impede a mobilidade ascendente das bactérias, sem a necessidade de antibióticos ou outros métodos químicos antimicrobianos. Com o novo design, que foi otimizado pela nova tecnologia de inteligência artificial (IA), o número de bactérias capazes de nadar contra a corrente em experiências de laboratório foi reduzido em 100 vezes.

O artigo, “Projeto geométrico auxiliado por IA de cateteres anti-infecção”, foi publicado na revista Avanços da Ciência em 3 de janeiro.

Nos tubos de cateter, o fluido exibe o chamado fluxo de Poiseuille, um efeito em que o movimento do fluido é mais rápido no centro, mas lento perto da parede, semelhante ao fluxo na corrente de um rio, onde a velocidade da água varia de rápida no centro desacelerar perto dos bancos. As bactérias, como organismos autopropelidos, exibem um movimento único de “dois passos para frente ao longo da parede, um passo para trás no meio” que produz seu progresso para frente em estruturas tubulares. Pesquisadores do laboratório Brady já haviam modelado esse fenômeno.

“Um dia, compartilhei esse fenômeno intrigante com Chiara Daraio, enquadrando-o simplesmente como uma ‘coisa legal’, e a resposta dela mudou a conversa para uma aplicação prática”, diz Tingtao Edmond Zhou, pesquisador de pós-doutorado em engenharia química e co-primeiro autor do estudo. “A pesquisa de Chiara frequentemente brinca com todos os tipos de geometrias interessantes, e ela sugeriu resolver esse problema com geometrias simples.”

Seguindo essa sugestão, a equipe projetou tubos com saliências triangulares, como barbatanas de tubarão, ao longo do interior das paredes do tubo. As simulações produziram resultados promissores: essas estruturas geométricas redirecionaram efetivamente o movimento bacteriano, impulsionando-as em direção ao centro do tubo, onde o fluxo mais rápido as empurrou de volta rio abaixo. A curvatura em forma de barbatana dos triângulos também gerou vórtices que atrapalharam ainda mais o progresso bacteriano.

Zhou e seus colaboradores pretendiam verificar o projeto experimentalmente, mas precisavam de conhecimentos adicionais em biologia. Para isso, Zhou procurou Olivia Xuan Wan, uma bolsista de pós-doutorado no laboratório Sternberg.

“Eu estudo a navegação de nematóides e este projeto ressoou profundamente com meu interesse especializado em trajetórias de movimento”, diz Wan, que também é co-autor do novo artigo. Durante anos, o laboratório Sternberg conduziu pesquisas sobre os mecanismos de navegação do nematóide Caenorhabditis elegans, um organismo do solo do tamanho de um grão de arroz comumente estudado em laboratórios de pesquisa e, portanto, tinha muitas das ferramentas para observar e analisar os movimentos de organismos microscópicos.

A equipe passou rapidamente da modelagem teórica para a experimentação prática, usando tubos de cateter impressos em 3D e câmeras de alta velocidade para monitorar o progresso bacteriano. Os tubos com inclusões triangulares resultaram numa redução do movimento bacteriano a montante em duas ordens de grandeza (uma diminuição de 100 vezes).

A equipe então continuou as simulações para determinar o formato de obstáculo triangular mais eficaz para impedir a natação rio acima das bactérias. Eles então fabricaram canais microfluídicos análogos aos tubos de cateter comuns com designs triangulares otimizados para observar o movimento da bactéria E. coli sob várias condições de fluxo. As trajetórias observadas da E. coli dentro desses ambientes microfluídicos alinharam-se quase perfeitamente com as previsões simuladas.

A colaboração cresceu à medida que os pesquisadores pretendiam continuar melhorando o desenho geométrico do tubo. Especialistas em inteligência artificial do laboratório Anandkumar forneceram ao projeto métodos de IA de ponta, chamados operadores neurais.

Essa tecnologia foi capaz de acelerar os cálculos de otimização do projeto do cateter, de modo que eles não precisaram de dias, mas de minutos. O modelo resultante propôs ajustes no desenho geométrico, otimizando ainda mais as formas triangulares para evitar que ainda mais bactérias nadassem contra a corrente. O design final melhorou a eficácia das formas triangulares iniciais em mais 5% nas simulações.

“Nossa jornada da teoria à simulação, experimento e, finalmente, ao monitoramento em tempo real dentro dessas paisagens microfluídicas é uma demonstração convincente de como os conceitos teóricos podem ganhar vida, oferecendo soluções tangíveis para desafios do mundo real”, diz Zhou.