Aidée par l’IA, une nouvelle conception de cathéter aide à prévenir les infections bactériennes

Les bactéries sont de remarquables nageuses, un trait qui peut nuire à la santé humaine. L’une des infections bactériennes les plus courantes dans un établissement de soins de santé provient de bactéries pénétrant dans l’organisme par l’intermédiaire de cathéters, de minces tubes insérés dans les voies urinaires. Bien que les cathéters soient conçus pour aspirer les liquides d'un patient, les bactéries sont capables de se propulser en amont et dans le corps via des tubes de cathéter en utilisant un mouvement de nage unique, provoquant 300 millions de dollars d'infections urinaires associées aux cathéters aux États-Unis chaque année.

Aujourd'hui, un projet interdisciplinaire de Caltech a conçu un nouveau type de tube cathéter qui entrave la mobilité en amont des bactéries, sans avoir recours à des antibiotiques ou à d'autres méthodes chimiques antimicrobiennes. Grâce à la nouvelle conception, optimisée par une nouvelle technologie d'intelligence artificielle (IA), le nombre de bactéries capables de nager en amont dans les expériences en laboratoire a été réduit de 100 fois.

L'article intitulé « Conception géométrique assistée par l'IA de cathéters anti-infectieux » a été publié dans la revue Avancées scientifiques le 3 janvier.

Dans les tubes cathéters, le fluide présente un écoulement dit de Poiseuille, un effet où le mouvement du fluide est plus rapide au centre mais lent près de la paroi, semblable à l'écoulement dans le courant d'une rivière, où la vitesse de l'eau varie de rapide au centre ralentir près des berges. Les bactéries, en tant qu'organismes autopropulsés, présentent un mouvement unique de « deux pas en avant le long du mur, un pas en arrière au milieu » qui produit leur progression vers l'avant dans les structures tubulaires. Les chercheurs du laboratoire Brady avaient déjà modélisé ce phénomène.

“Un jour, j'ai partagé ce phénomène intrigant avec Chiara Daraio, le décrivant simplement comme une 'chose cool', et sa réponse a orienté la conversation vers une application pratique”, explique Tingtao Edmond Zhou, chercheur postdoctoral en génie chimique et co-premier chercheur. auteur de l'étude. “Les recherches de Chiara jouent souvent avec toutes sortes de géométries intéressantes, et elle a suggéré d'aborder ce problème avec des géométries simples.”

Suite à cette suggestion, l'équipe a conçu des tubes avec des saillies triangulaires, comme des ailerons de requin, le long de l'intérieur des parois du tube. Les simulations ont donné des résultats prometteurs : ces structures géométriques ont efficacement redirigé le mouvement des bactéries, les propulsant vers le centre du tube où le flux plus rapide les a repoussées vers l'aval. La courbure en forme d'aileron des triangles a également généré des tourbillons qui ont encore plus perturbé la progression bactérienne.

Zhou et ses collaborateurs visaient à vérifier la conception expérimentalement, mais avaient besoin d'une expertise supplémentaire en biologie. Pour cela, Zhou a contacté Olivia Xuan Wan, chercheuse postdoctorale au laboratoire Sternberg.

“J'étudie la navigation des nématodes et ce projet correspondait profondément à mon intérêt spécialisé pour les trajectoires de mouvement”, explique Wan, qui est également co-premier auteur du nouvel article. Depuis des années, le laboratoire Sternberg mène des recherches sur les mécanismes de navigation du nématode Caenorhabditis elegans, un organisme du sol de la taille d'un grain de riz couramment étudié dans les laboratoires de recherche et dispose ainsi de nombreux outils pour observer et analyser les mouvements des organismes microscopiques.

L’équipe est rapidement passée de la modélisation théorique à l’expérimentation pratique, en utilisant des tubes cathéters imprimés en 3D et des caméras à grande vitesse pour surveiller la progression bactérienne. Les tubes comportant des inclusions triangulaires ont entraîné une réduction du mouvement bactérien en amont de deux ordres de grandeur (une diminution de 100 fois).

L’équipe a ensuite poursuivi les simulations pour déterminer la forme d’obstacle triangulaire la plus efficace pour empêcher les bactéries de nager en amont. Ils ont ensuite fabriqué des canaux microfluidiques analogues aux tubes de cathéter courants avec des conceptions triangulaires optimisées pour observer le mouvement des bactéries E. coli dans diverses conditions d'écoulement. Les trajectoires observées d’E. coli dans ces environnements microfluidiques s’alignaient presque parfaitement avec les prédictions simulées.

La collaboration s'est développée à mesure que les chercheurs cherchaient à continuer d'améliorer la conception géométrique des tubes. Les experts en intelligence artificielle du laboratoire Anandkumar ont fourni au projet des méthodes d'IA de pointe appelées opérateurs neuronaux.

Cette technologie a pu accélérer les calculs d’optimisation de la conception du cathéter, de sorte qu’ils n’ont pas nécessité des jours mais des minutes. Le modèle résultant proposait des modifications à la conception géométrique, optimisant davantage les formes triangulaires pour empêcher encore plus de bactéries de nager en amont. La conception finale a amélioré l'efficacité des formes triangulaires initiales de 5 % supplémentaires dans les simulations.

“Notre voyage de la théorie à la simulation, à l'expérimentation et, enfin, à la surveillance en temps réel au sein de ces paysages microfluidiques est une démonstration convaincante de la façon dont les concepts théoriques peuvent prendre vie, offrant des solutions tangibles aux défis du monde réel”, déclare Zhou.