超過(guò)13%的美國(guó)人患有幽門(mén)螺桿菌感染，盡管發(fā)病率因年齡，種族和社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位而異。微生物利用其開(kāi)瓶器狀的尾巴通過(guò)粘稠的液體(如胃粘液)向前推進(jìn)。當(dāng)它到達(dá)胃壁上皮時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致從潰瘍到癌癥的一切。
在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，F(xiàn)AMU-FSU工程學(xué)院的研究人員創(chuàng)建了這種細(xì)菌的3D模型，以更好地了解其運(yùn)動(dòng)，希望破解控制生物體運(yùn)動(dòng)的密碼并開(kāi)發(fā)感染的替代療法，例如加強(qiáng)對(duì)抗細(xì)菌的胃粘液屏障。
世界各地的人們都用抗生素治療潰瘍，因?yàn)榭股乜梢詺⑺兰?xì)菌，但這是一把雙刃劍。如果我們了解這些細(xì)菌是如何移動(dòng)的，我們就可以努力提供其他治療解決方案。
在實(shí)驗(yàn)中，研究小組將細(xì)菌模型放置在高粘度聚合物凝膠中，這是所謂的屈服應(yīng)力流體的一個(gè)例子。這些流體在小應(yīng)力下表現(xiàn)為固體，但像液體一樣流動(dòng)超過(guò)臨界應(yīng)力點(diǎn)。
然后他們使用磁場(chǎng)來(lái)旋轉(zhuǎn)3D模型，模仿微生物的行為。使用粒子跟蹤和成像技術(shù)，研究人員測(cè)量了細(xì)菌的速度，并可視化了在其周?chē)鲃?dòng)的流體的分布和密度。
研究人員確定了細(xì)菌必須克服的兩個(gè)關(guān)鍵閾值：旋轉(zhuǎn)游泳模型所需的扭矩和推動(dòng)模型前進(jìn)所需的力。
“我們發(fā)現(xiàn)，如果尾部推進(jìn)力太弱，細(xì)菌就會(huì)卡在凝膠中，”Mohammadigoushki說(shuō)。“如果力足夠強(qiáng)，它可以穿透凝膠。這有點(diǎn)像你在實(shí)心墻上鉆螺絲。如果你的鉆頭不夠堅(jiān)固，你沒(méi)有用足夠的力推動(dòng)螺釘，它就不會(huì)穿透墻壁，但只要用適當(dāng)?shù)牧?，它就?huì)突破。
允許幽門(mén)螺桿菌移動(dòng)的游泳運(yùn)動(dòng)和力也適用于較大的物體，例如在土壤中挖洞的蚯蚓，各種寄生蟲(chóng)等。
“如果我們了解細(xì)菌如何成功地攻擊我們的身體，我們就可以將這些信息用于我們能想象的任何事情，”機(jī)械工程系助理教授KouroshShoele說(shuō)。
Shoele是多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的一員，是計(jì)算科學(xué)方面的專(zhuān)家。他解釋了如何從自然中學(xué)習(xí)可以從機(jī)械和生物系統(tǒng)獲得更好的反應(yīng)。
“在未來(lái)，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)微型機(jī)器人，可以將藥物輸送到身體的特定位置，對(duì)抗白血病和其他疾病，”Shoele說(shuō)。“或者，我們可以設(shè)計(jì)出利用游泳運(yùn)動(dòng)和力量的微型機(jī)器人，比如幽門(mén)螺桿菌，它可以在沙子里深入挖掘水或油。可能性是無(wú)窮無(wú)盡的。
FSU化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程博士生FarshadNazari正在與這兩位研究人員合作，并且是本文的主要作者。
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