Biofizyka przepływu a patogeneza zakażeń dróg moczowych i oddechowych

Organizacja Narodów Zjednoczonych szacuje, że do 2050 roku powszechne zakażenia bakteryjne mogą powodować więcej zgonów niż choroby nowotworowe – podkreśla Arnold Mathijssen, biofizyk z University of Pennsylvania, zajmujący się badaniem ruchu cząstek aktywnych, takich jak bakterie, w układach przepływowych. Jak zaznacza, bakterie są niezwykle szybkimi i adaptacyjnymi „pływakami”, zdolnymi do przemieszczania się z prędkością sięgającą setek długości własnego ciała na sekundę, nawet w warunkach silnych przepływów cieczy.

Wbrew intuicji patogeny nie zawsze poddają się nurtowi. Potrafią aktywnie przemieszczać się pod prąd, co sprzyja rozwojowi ciężkich zakażeń układu oddechowego, pokarmowego oraz dróg moczowych, a także prowadzi do kontaminacji sprzętu stomatologicznego i medycznego, w tym cewników. Mechanizmy umożliwiające mikroorganizmom poruszanie się „pod prąd” w wąskich, labiryntowych strukturach organizmu przez długi czas pozostawały jednak niejasne.

Zespół Mathijssena opracował nanoskalarne, wielokanałowe mikrorurki, które naśladują struktury obecne w ludzkim ciele, aby prześledzić, w jaki sposób Escherichia coli przemieszcza się pod prąd, inicjując inwazję i kolonizację nowych przestrzeni. Wyniki, opublikowane w czasopiśmie Newton, dostarczają szczegółowego wglądu w ruchliwość patogenów w złożonych i nieprzyjaznych środowiskach przepływowych oraz wskazują rozwiązania możliwe do bezpośredniego zastosowania w projektowaniu wyrobów biomedycznych.

Jak zauważa Ran Tao, pierwszy autor pracy i doktorant w Mathijssen Lab na Penn’s School of Arts & Sciences, wbrew oczekiwaniom to właśnie szersze kanały z szybszym przepływem przeciwnym okazały się bardziej podatne na inwazję bakteryjną. Jednocześnie wykazano, że zastosowanie ostrych krawędzi i narożników skutecznie hamuje takie wtargnięcia.

Badacze wyróżnili cztery odrębne etapy procesu inwazji, prześledzili ruch tysięcy komórek oraz połączyli dane eksperymentalne z symulacjami i analizą matematyczną. Pozwoliło to określić wpływ siły przepływu, stopnia ograniczenia przestrzeni oraz geometrii narożników na proliferację bakterii, a także przewidywać strumień bakteryjny, czyli liczbę komórek przemieszczających się pod prąd w czasie, w zależności od kształtu i konfiguracji mikrorurek.

Porównanie gładkich, zaokrąglonych narożników z ostrymi kątami w identycznych warunkach wykazało, że bakterie znacznie łatwiej poruszają się pod prąd wzdłuż łagodnych krzywizn, przypominających powierzchnie występujące w organizmie człowieka, szybko wypełniając kanały. Ostre krawędzie natomiast zaburzały ich ruch i skutecznie ograniczały rozprzestrzenianie, prowadząc do minimalnej kontaminacji w konstrukcjach o geometrii kątowej. W węższych kanałach bakterie miały dodatkowo trudności z wykonaniem kluczowego pierwszego kroku – opuszczenia skolonizowanego obszaru i rozpoczęcia migracji pod prąd.

Wyniki te sugerują, że urządzenia takie jak cewniki mogą łączyć komfort pacjenta, wynikający z mniejszej średnicy, z większym bezpieczeństwem poprzez zastosowanie odpowiednich skrętów i załamań geometrycznych.

Szczególnie zaskakujące okazały się obserwacje dotyczące samego przepływu cieczy. Wbrew powszechnemu przekonaniu, silniejszy nurt nie utrudniał bakteriom przemieszczania się pod prąd. Przeciwnie, działał jak prowadnica – bakterie ustawiały się zgodnie ze strukturą przepływu i docierały do obszarów położonych wyżej szybciej niż w warunkach słabszego ruchu cieczy.

Jak relacjonuje współautorka pracy Suya Que z School of Engineering and Applied Science, już po kilku minutach pierwsze komórki docierały do najbardziej „górnych” odcinków kanałów. Następnie te pionierskie bakterie inicjowały nowe kolonie, prowadząc do dwukierunkowej inwazji postępującej jednocześnie z obu stron.

Zamiast stopniowej kolonizacji kolejnych wnęk, bakterie szybko docierały do końca struktury, a następnie tworzyły bioagregaty przypominające strumienie, transportowane z powrotem z prądem cieczy. Proces ten skutkował niemal trzykrotnym przyspieszeniem kolonizacji całego urządzenia.

Zdaniem Tao ma to istotne implikacje kliniczne, zwłaszcza w kontekście zakażeń dróg moczowych. Obecność bakterii w dolnych odcinkach układu moczowego może sygnalizować znacznie bardziej rozległy problem, obejmujący nawet nerki, jeszcze zanim pojawią się pełnoobjawowe symptomy. Przepływ nie zawsze działa ochronnie – w niekorzystnych warunkach może wręcz przyspieszać rozwój zakażenia.

Jak podkreśla Mathijssen, znaczenie tych odkryć wykracza poza profilaktykę zakażeń. Te same zasady mogą znaleźć zastosowanie w projektowaniu mikrorobotów zdolnych do poruszania się pod prąd w celu precyzyjnego dostarczania leków, wykorzystując strategie ewolucyjnie udoskonalane przez bakterie przez miliardy lat. Mechanizmy reorientacji względem kierunku przepływu i aktywnego ruchu pod prąd są bowiem zbliżone do tych, które można zaimplementować w mikrorobotach biomedycznych, otwierając nowe perspektywy w obszarze biomimetyki i terapii celowanych.

Źródło: Newton, Invasion of bacteria swimming upstream into microstructured devices
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.newton.2025.100337