AI に最適化されたカテーテル設計により、薬を使わずに尿路感染症を予防できる可能性がある

ジョアンナ・トンプソン

世界中で毎年 1 億人以上の人が尿道カテーテルを必要としています。 この装置は、特に手術後に救命に役立ちます。 しかし、カテーテルを使用した人の多く（発展途上国では約4分の1、米国では約8分の1）がカテーテル関連尿路感染症（CAUTI）を発症する可能性があり、これは一般にチューブ内に蓄積する細菌によって引き起こされます。

現在、研究者らは人工知能の助けを借りて、抗生物質を使わずに細菌汚染を最大2桁減らすことができる新しいカテーテルを設計した。 内部には細菌の付着を防ぐ三次元幾何学的形状が散りばめられています。 「これは非常に興味深い結果です」と、最近発表された新しい研究には関与していないクリーブランドクリニック泌尿器科医のグレン・ワーネバーグ氏は言う。 科学の進歩。

「通常のカテーテルの内部には物理的な形状がありません」と、研究の共著者であるカリフォルニア工科大学のコンピューター科学者アニマシュリー・アナンドクマール氏は言う。 これにより、細菌が外側から上に向かって進み、内側の表面に定着するためのスムーズな道が残ります。 膀胱近くのカテーテル内にコロニーが蓄積すると、コロニーが尿路に侵入し、CAUTI を引き起こす可能性があります。

これまで医師は、細菌を殺すためにカテーテルの内壁を抗生物質や銀などの金属剤でコーティングすることがありました。 しかし、そのような方法は費用がかかるだけでなく、抗生物質耐性菌が蔓延するにつれて効果がなくなる可能性もあります。 新しいデバイスは、微生物を撃退するための特殊なコーティングに依存しません。 シンプルなジオメトリが効果を発揮します。 鋭い三角形のような形をした、3D プリントされた一連の小さな隆起がカテーテルの内側に並び、細菌にとって一種の障害物コースを形成しています。 微生物が上流に泳ごうとすると、尾根にぶつかったり転がったりして、最終的には停止したり、下流に跳ね返ったりします。 この設計は、高価で不必要な抗生物質の使用を削減し、カテーテルの使用時間を延長できる可能性がある。

細菌を寄せ付けない完璧な迷路を見つけるために、アナンドクマール氏と彼女のチームは AI を使用して、数万回のシミュレーションを通じてデジタル モデル化されたカテーテルを迅速に実行しました。 コンピューターモデルの複数のシナリオの下で仮想バクテリアを最もよくブロックする設計にたどり着くと、プロトタイプを 3D プリントし、実験室で以下の液体を含むブロスを使用してテストしました。 大腸菌 細菌。 24時間後、この実験装置に蓄積される細菌コロニーは、研究者らが3Dプリントして一緒にテストした従来のカテーテルよりも100倍近く少なかった。

新しいカテーテルは現在、抵抗するためにのみ最適化されています 大腸菌-CAUTIに関連する最も一般的な微生物の1つ。 ただし、他の種もカテーテルに定着し、感染を引き起こすことが知られています。 「カテーテル上の細菌はバイオフィルムとして存在しており、細菌の種類が異なれば、異なる動作をすることがわかっています」とウェルネブルク氏は言う。 彼は、チームは、次のような他の微生物もアクセスできない、修正された将来の設計を開発する必要があるかもしれないと付け加えた。 腸球菌 そして プロテウス 細菌。

Anandkumar 氏もこれに同意し、新しい設計を正確にモデル化するにはさらなる研究と、これらの微生物の物理的および化学的特性に関するさらなるデータが必要になる可能性があると述べています。 科学者は、設計を広く生産する前に臨床現場でテストする必要もあります。 また、Anandkumar 氏は、AI モデリングにはカテーテルをはるかに超える可能性があると述べ、薬剤やエネルギー効率の高い飛行機のプロペラなどの設計に AI を活用したいと考えています。 「私にとって、これはほんの始まりにすぎません。」と彼女は言います。