تصميم قسطرة جديدة تمنع الالتهابات البكتيرية

واحدة من أكثر أنواع العدوى البكتيرية شيوعا في مرافق الرعاية الصحية تأتي من دخول البكتيريا إلى الجسم من خلال القسطرة، وهي أنابيب رفيعة يتم إدخالها في المسالك البولية.

وبالرغم من أن القسطرة مصممة لسحب السوائل من المريض، فإن البكتيريا قادرة على دفع نفسها إلى أعلى الجسم وإلى داخله عبر أنابيب القسطرة باستخدام حركة سباحة فريدة من نوعها، مما يتسبب في 300 مليون دولار من حالات التهابات المسالك البولية المرتبطة بالقسطرة في الولايات المتحدة سنويا.

نوع جديد من أنابيب القسطرة

الآن، قام مشروع متعدد التخصصات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بتصميم نوع جديد من أنابيب القسطرة التي تعوق حركة البكتيريا، دون الحاجة إلى المضادات الحيوية أو غيرها من الطرق الكيميائية المضادة للميكروبات.

ومع التصميم الجديد، الذي تم تحسينه بواسطة تقنية الذكاء الاصطناعي الجديدة (AI)، انخفض عدد البكتيريا القادرة على السباحة عكس التيار في التجارب المعملية بمقدار 100 ضعف.

نُشرت الدراسة التي تحمل عنوان «التصميم الهندسي بمساعدة الذكاء الاصطناعي للقسطرة المضادة للعدوى» في مجلة Science Advances.

في أنابيب القسطرة، يُظهر السائل ما يسمى بالتدفق Poiseuille، وهو تأثير تكون فيه حركة السائل أسرع في المركز ولكنها بطيئة بالقرب من الجدار، على غرار التدفق في تيار النهر، حيث تختلف سرعة الماء من سريعة في المركز لإبطاء بالقرب من البنوك.

تُظهر البكتيريا، باعتبارها كائنات ذاتية الدفع، حركة فريدة من نوعها «خطوتان للأمام على طول الجدار، وخطوة واحدة للخلف في المنتصف» والتي تنتج تقدمها للأمام في الهياكل الأنبوبية.

سبق للباحثين في مختبر برادي أن قاموا بتصميم نموذج لهذه الظاهرة.

يقول تينجتاو إدموند تشو، باحث مشارك في الدراسة الأولى: «في أحد الأيام، شاركت هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام مع كيارا دارايو، حيث قمت بصياغتها ببساطة على أنها شيء رائع، وقد أدى ردها إلى تحويل المحادثة نحو التطبيق العملي».

وأضاف: «غالبًا ما تتعامل أبحاث كيارا مع جميع أنواع الأشكال الهندسية المثيرة للاهتمام، واقترحت معالجة هذه المشكلة باستخدام أشكال هندسية بسيطة».

وبعد هذا الاقتراح، صمم الفريق أنابيب ذات نتوءات مثلثة، مثل زعانف سمك القرش، على طول الجزء الداخلي من جدران الأنبوب.

أسفرت عمليات المحاكاة عن نتائج واعدة: أعادت هذه الهياكل الهندسية توجيه الحركة البكتيرية بشكل فعال، ودفعتها نحو مركز الأنبوب حيث دفعها التدفق الأسرع إلى اتجاه مجرى النهر.

كما أدى انحناء المثلثات الذي يشبه الزعانف إلى توليد دوامات أدت إلى زيادة تعطيل تقدم البكتيريا.

كان هدف تشو ومعاونوه التحقق من التصميم تجريبيًا، لكنهم كانوا بحاجة إلى خبرة بيولوجية إضافية، ومن أجل ذلك، تواصل تشو مع أوليفيا شوان وان، باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر ستيرنبرج.

يقول وان، وهو أيضًا مؤلف أول مشارك في الورقة الجديدة: «أنا أدرس الملاحة الخيطية، وكان لهذا المشروع صدى عميق مع اهتمامي المتخصص بمسارات الحركة».

لسنوات، أجرى مختبر ستيرنبرج بحثًا في آليات الملاحة للديدان الخيطية Caenorhabditis elegans، وهو كائن تربة بحجم حبة الأرز يُدرس بشكل شائع في مختبرات الأبحاث، وبالتالي كان لديه العديد من الأدوات لمراقبة وتحليل حركات الكائنات الحية المجهرية.

وسرعان ما انتقل الفريق من النمذجة النظرية إلى التجريب العملي، باستخدام أنابيب القسطرة المطبوعة ثلاثية الأبعاد والكاميرات عالية السرعة لمراقبة تقدم البكتيريا.

أدت الأنابيب ذات الشوائب المثلثية إلى تقليل الحركة البكتيرية عند المنبع بمقدار أمرين من حيث الحجم (انخفاض قدره 100 ضعف).

ثم واصل الفريق عمليات المحاكاة لتحديد شكل العائق الثلاثي الأكثر فعالية لإعاقة سباحة البكتيريا في اتجاه المنبع، ثم قاموا بتصنيع قنوات ميكروفلويديك مماثلة لأنابيب القسطرة الشائعة مع تصميمات مثلثة مُحسّنة لمراقبة حركة بكتيريا الإشريكية القولونية في ظل ظروف التدفق المختلفة.

تتوافق المسارات المرصودة للإشريكية القولونية داخل بيئات الموائع الدقيقة هذه بشكل مثالي تقريبًا مع التنبؤات المحاكاة.

نما التعاون حيث كان الباحثون يهدفون إلى مواصلة تحسين تصميم الأنبوب الهندسي.

قام خبراء الذكاء الاصطناعي في مختبر أناندكومار بتزويد المشروع بأساليب ذكاء اصطناعي متطورة تسمى المشغلين العصبيين.

وكانت هذه التكنولوجيا قادرة على تسريع حسابات تحسين تصميم القسطرة بحيث لا تتطلب أيامًا بل دقائق.

اقترح النموذج الناتج تعديلات على التصميم الهندسي، مما أدى إلى تحسين أشكال المثلث بشكل أكبر لمنع المزيد من البكتيريا من السباحة ضد التيار.

عزز التصميم النهائي فعالية الأشكال المثلثية الأولية بنسبة 5% إضافية في عمليات المحاكاة.

وقال تشو: «إن رحلتنا من النظرية إلى المحاكاة، والتجربة، وأخيرًا، إلى المراقبة في الوقت الفعلي ضمن هذه المناظر الطبيعية للموائع الدقيقة هي دليل مقنع على كيفية إحياء المفاهيم النظرية، وتقديم حلول ملموسة لتحديات العالم الحقيقي».