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导尿管相关尿路感染（CAUTI）危害大，其感染机制不明且防治效果不佳。研究人员构建导尿管细菌定植数学模型，发现长短期导尿临床结局受不同因素控制，该成果有助于解释个体易感性差异，为针对性防治策略提供依据。
在医院和长期护理场景中，导尿管（Urinary catheters）的使用极为广泛，它能帮助患者引流膀胱尿液，但却如同隐藏在身体里的 “定时炸弹”，极易被细菌 “盯上”。细菌一旦在导尿管上 “安营扎寨”，起初会引发导尿管相关菌尿（catheter - associated bacteriuria），部分患者可能没有明显症状，可一旦病情发展，就会演变成症状明显的导尿管相关尿路感染（CAUTI），引发诸如膀胱炎症、败血症等严重并发症，给患者带来极大痛苦，也给社会和医疗系统造成沉重负担。然而，目前人们对细菌定植导尿管的具体途径知之甚少，现有的抗菌表面涂层等预防感染措施效果也参差不齐，有些患者反复遭受 CAUTI 的折磨，而有些患者却很少受到影响，这背后的原因一直是医学领域亟待解开的谜团。
为了攻克这些难题，来自英国爱丁堡大学、伦敦大学学院等研究机构的研究人员 Freya Bull、Sharareh Tavaddod 等人开展了一项极具意义的研究。他们构建了一个整合了种群动力学和流体动力学的导尿管细菌定植数学模型，试图从全新的角度揭示细菌定植的奥秘。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究方法上，研究人员主要运用了数学建模和计算机模拟技术。他们将导尿管细菌定植过程分为导管外表面、膀胱、导管内尿液流动以及导管内表面四个部分进行建模。针对每个部分，根据细菌在其中的生长、运动规律，分别采用不同的方程进行描述，如在导管外表面使用 1 - 维 Fisher - Kolmogorov - Petrovsky - Piskunov（FKPP）方程模拟细菌的增殖和扩散，在膀胱中结合逻辑斯蒂增长模型和稀释项来刻画细菌的动态变化等。通过设定不同的参数，代表患者、导管和细菌菌株等相关因素，然后进行计算机模拟，以此预测细菌感染的动态过程和临床结局。
下面来看具体的研究结果。
- 数学模型构建：该模型包含四个关键部分。在导管外表面，细菌像浪潮一样增殖和扩散，研究人员用 FKPP 方程模拟这一过程；在膀胱中，细菌在残留尿液里生长，随后被尿液流带出，通过结合逻辑斯蒂增长模型和取决于肾脏尿液生成速率的稀释项来建模；导管内的尿液流动过程中，细菌随尿液向下运输，部分会附着在导管表面，这部分用对流 - 扩散方程模拟；导管内表面的细菌增殖和扩散则通过添加了细菌沉积源项的 FKPP 方程来描述。同时，模型还考虑了细菌在不同部分之间的转移，比如膀胱与导管外表面、导管外表面与内表面等之间的细菌移动。
- 长期菌尿易感性与尿液生成速率的关系：通过长时间（数月）模拟模型，研究人员发现长期导尿时，尿液中细菌丰度会出现两种截然不同的结果，即菌尿和无菌尿。而这一结果的关键影响因素是肾脏的尿液生成速率，它与患者的液体摄入量密切相关。当尿液生成速率较低时，细菌在膀胱中的生长速度足以克服稀释作用，尿液中的细菌数量就会增多，导致菌尿；反之，当尿液生成速率较高时，稀释作用超过细菌生长速度，尿液中的细菌数量会大幅下降。研究人员对比美国人群尿液生成速率数据和模型预测的菌尿 - 无菌尿转变阈值后发现，约 70% 的人可能易患导尿管相关菌尿。这一发现表明，增加液体摄入量、提高尿液生成速率，有望降低个体患菌尿的风险，为长期导尿患者的护理提供了重要参考。
- 菌尿发生时间与细菌沿导管传播速度的关系：对于短期导尿患者而言，如果在细菌到达膀胱并大量繁殖引发菌尿之前移除导管，就有可能避免菌尿的发生。研究模型显示，短期导尿临床结局取决于细菌到达膀胱的时间，而这主要受导管长度（等同于尿道长度）以及细菌在导管表面的生长速率和移动性影响。尿道长度因性别而异，女性尿道通常约 40mm，男性约 160mm，这也解释了为什么性别是 CAUTI 的一个重要风险因素。此外，抗菌涂层虽对长期导尿患者的临床结局影响不大，但对于短期导尿患者，尤其是男性患者，它可以通过改变细菌传播速度，延迟菌尿的发生。
- 不同感染源导致的生物膜覆盖模式差异：大多数 CAUTI 被认为起源于导管外部，不过细菌也可通过污染引流袋、在导管插入时污染等多种途径引发感染。研究模型预测，不同感染源会导致导管外表面和内表面细菌定植的空间模式不同。例如，若感染源于导管底部皮肤，早期导管外表面下部细菌覆盖率高；若源于引流袋，则早期导管内表面下部细菌覆盖率高。通过观察早期移除的导管表面细菌分布情况，有助于推断感染源，为优化导管管理协议提供依据。
综合上述研究结果，该研究意义重大。它首次通过数学模型系统地揭示了导尿管细菌定植的长短期差异机制，为解释个体对 CAUTI 易感性差异、抗菌涂层临床效果不一致等现象提供了理论依据。在实际应用中，对于长期导尿患者，增加液体摄入或减少膀胱残余尿量可能是预防感染的有效措施；对于短期导尿患者，使用抗菌涂层或许能在一定程度上延迟菌尿发生。不过，该模型也存在一些局限性，比如未考虑人体免疫系统对细菌感染的反应、生物膜生长的一些细节过程等。未来研究可以在此基础上进一步拓展，更加贴近临床实际，为预防和控制导尿管相关感染提供更精准、更有效的策略。
