Forskere kaster nyt lys over sygdomsspredende myg

Da West Nile virus (WNV) oprindeligt blev isoleret i to patienter på en Queens, N.Y., hospitalet i sommeren 1999, det ville have været svært at forudse, hvor hurtigt en almindelig art af husmyg, Culex pipiens, ville hjælpe med at begynde at sprede virussen over hele den vestlige halvkugle.

Bid for bid, kyst til kyst, mygpopulationer ville overføre virussen - oprindeligt opdaget i West Nile -provinsen i Uganda for mere end 75 år siden - til mennesker i 44 amerikanske stater på bare tre år.

Med mere end 2, 500 forskellige arter af myg kendt på Jorden i dag, Der er mange udfordringer tilbage for entomologer og eksperter i sygdomsbekæmpelse, der sigter på at overvåge udviklende myggepopulationer og smitsom myggebåren sygdom - som påvirker næsten 700 millioner mennesker verden over og resulterer i mere end 1 million menneskers dødsfald hvert år.

Fysikere udforsker nu laserbaseret teknologi, der traditionelt bruges til at studere forhold i atmosfæren - såsom lysdetektion og rækkevidde (LIDAR) - for at kaste lys over de mest subtile træk ved mygaktivitet og bedre spore populationer, der kan bære en viral trussel.

En undersøgelse ledet af Benjamin Thomas, adjunkt i fysik ved NJIT, har vedtaget brugen af ​​LIDAR, en infrarød optisk fjernsensorteknologi, der er i stand til at fange den hastighed, myg slår deres vinger under flugten, kendt som vingeslagsfrekvens (WBF).

Ved at forstå variationer af WBF i myg, Thomas' laboratorium lærer to nøgleegenskaber, der kan hjælpe med at skelne, hvilke myg der kan være vektorer for infektionssygdomme, fra dem, der ikke er:arter og køn.

"Myg er stadig det mest dødbringende dyr på Jorden, sagde Thomas. Desværre, vores nuværende metoder til at spore og indsamle data om dem koster typisk meget i form af tid og ressourcer, så vi har manglet en masse entomologiske data om mange arter og deres kvindelige populationer, som typisk er overførere af sygdomme."

Nuværende strategier - som feromonbaserede fysiske fælder - er blevet brugt til nøjagtigt at studere myggepopulationer i lille skala. Imidlertid, Thomas siger, at hans teams arbejde kunne hjælpe med at udfylde hullet i entomologiske data i stor skala, give forskere en bedre måde at overskue den bredere udvikling af insektpopulationer og deres økosystemer, samt spore spredningen af ​​myggebåren sygdom."

"I tilfælde som Zika-udbruddet, vi fulgte for det meste spredningen ved at følge sygdomsrapporter, altid efterlader os et skridt bag mygene, der overfører virussen, " sagde Thomas. "Vi har udviklet et nyt optisk instrument, der er i stand til at scanne miljøet og måle hundredvis af insekter i timen i realtid. Dette kunne give os en bedre metode til at indsamle store entomologiske data og samtidig hjælpe os med at spore specifikke arter, som vi ved er farlige som reaktion på et udbrud."

Optagelse af myggeslaget

Selvom både han- og hunmyg har en mundlignende anatomi, kun hunmyg har mandibler, der er i stand til at gennembore huden på pattedyr for at suge blod - en tilpasning, der tjener til at give de nødvendige næringsstoffer til reproduktion. Fordi hunmyg udelukkende udvinder blod fra mennesker på denne måde, at identificere dem blandt større befolkninger er et vigtigt skridt i retning af at spore potentielle smittespredere.

Thomas' laserbaserede tilgang kan nøjagtigt identificere kvindelige myg WBF'er, som typisk gennemsnitligt er omkring 500 vingeslag i sekundet, fra deres mandlige modparters WBF'er, som normalt er 600 vingeslag i sekundet i gennemsnit.

"I vores laboratorium, mygene er placeret i et rørhylster og vil passere gennem vores instrumentets lasersti, og baseret på deres vingebevægelse, de vil producere en specifik signatur af lys, der reflekteres tilbage mod instrumentet, " forklarede Thomas. "Den tilbagespredning af lys rummer den information, vi har brug for for at identificere, hvad der krydser strålen ... uanset om det er en bi, en stueflue, en hanmyg eller hunmyg. Ved siden af ​​vores laser, vi har et teleskop, der samler alt dette lys, og vi kan analysere disse data i realtid."

I kontrollerede eksperimenter i laboratoriet, Thomas' team testede sit systems evne til nøjagtigt at skelne mellem han- og hunmyg af fire forskellige arter, der tidligere er blevet identificeret som vektorer for sygdom: Aedes albopictus , Aedes Vexans , Aedes aegypti og en anden art af Culex slægt.

I testene, instrumentet viste sig i stand til at identificere myggenes køn med 96,5 procents nøjagtighed. Imidlertid, en vanskeligere udsigt for Thomas' laboratorium har været at identificere insektarter; i øjeblikket, laboratoriet kan identificere myggearter med 75 procents nøjagtighed. I en nylig undersøgelse, udgivet i Konferencedokumenter fra SPIE , Thomas' team begyndte at udforske nye optiske parametre for bedre at karakterisere insektets form og farve, hvilket kunne forbedre den overordnede artsidentifikation.

"Vores lasersystem inkorporerer nu to forskellige infrarøde bølgelængder inden for den samme optiske vej, så afhængigt af om en art er brun, sort eller stribet, det vil påvirke styrken af ​​signalet, der kommer tilbage fra en af ​​de to kanaler forskelligt, " sagde Thomas. "Vi er også begyndt at måle, hvordan lyset er polariseret for bedre at forstå overflade og form af insekter. For eksempel, bare ved at måle polariseringen af ​​lys, der kommer tilbage til os, vi kan nu se, om myggene bærer æg eller ej. "

Thomas' laboratorium er nu i gang med at optimere sin tilgang til brug i marken – og arbejder ikke kun for yderligere at forbedre nøjagtigheden af ​​artsidentifikation, men også for at forbedre rækkevidden af ​​sit systems teleskop. Holdet udvider sit teleskops rækkevidde til opsamling af lys fra dets nuværende 100 meter rækkevidde til et par hundrede meter for at indsamle data fra udendørs miljøer, hvor større mygpopulationer bor. Med sikkerhedstest og forbedringer af designet igangværende, Thomas siger, at felttest kan begynde så snart som 2019.

"Når vores instrument er indsat i felten, Vi kunne ideelt set indsamle data via en internetforbindelse i løbet af et par dage, " sagde Thomas. "Dette kunne give os en enorm mængde information om myg og andre insekter i miljøet. På lang sigt, fremtidige undersøgelser kan endda fortælle os om, hvordan en given befolknings rumlige fordeling udvikler sig som følge af klimaændringer. "