Mysteriet om tropisk menneskelig parasit svømning løst

I flere år Manu Prakash, adjunkt i bioingeniør, er gået til feltsider for at teste nye, billige mikroskoper som et redskab til diagnosticering af parasitisk sygdom schistosomiasis. Enhederne viste løfte, men Prakash var forvirret over, hvor ofte børn, der blev behandlet for sygdommen, blev inficeret igen. Prakash vendte hurtigt opmærksomheden mod at forhindre infektioner i første omgang.

Dette nye fokus fik sit team til at tænke over et grundlæggende spørgsmål i transmissionscyklussen:Hvordan bevæger denne parasit sig faktisk i åbent vand for at inficere en menneskelig vært? De håber, at ved at forstå biofysikken om, hvordan denne parasit svømmer, det kan være muligt at hindre bevægelsen og modvirke infektion. Resultaterne af denne undersøgelse er offentliggjort i 31. oktober -udgaven af Naturfysik .

"Vi begyndte at tænke på den økologiske kontekst for schistosomiasis sygdomscyklus, da, ude på marken, vi så det frygtelige traume, det påfører mennesker, "sagde Prakash, seniorforfatter af undersøgelsen. "Det manifesterer sig over lange perioder, og hvis vandområdet nær dig er inficeret, der er meget stor sandsynlighed for, at du får sygdommen. Så, effektivt, du kan tage medicin, der kan helbrede dig i nogen tid, men du bliver geninficeret igen. "

En svækkende sygdom

Folk bliver smittet med schistosomiasis, når parasitens larveform forlader ferskvandssneglværten, svømmer gennem vandet og trænger ind i menneskelig hud. En gang i en person, larverne udvikler sig til voksne skistosomer. De kvindelige parasitter frigiver senere æg, som enten føres ud af kroppen gennem urin og afføring eller fanges i kropsvæv, udløser et immunrespons og store organskader. Når æggene fra urin eller afføring kommer ind i et vandlegeme med ferskvandssneglens værter, cyklussen begynder igen.

Schistosomiasis -infektion giver ofte mavesmerter, diarré og blod i afføringen eller urinen. Det kan også forårsage læringsmangler hos børn og manglende evne til at arbejde hos voksne, der fanger familier i en fattigdomscyklus. I årenes løb, voksne kan udvikle blærekræft eller alvorlig nyreskade, hvilket reducerer deres livskvalitet. I nogle tilfælde medfører sygdommen død.

Verdenssundhedsorganisationen (WHO) anslår, at 258 millioner mennesker krævede forebyggende behandling af schistosomiasis i 2014, med anslået 20, 000 dødsfald. Som med mange andre forsømte tropiske sygdomme, schistosomiasis påvirker uforholdsmæssigt mange mennesker, der lever i fattigdom. Disse mennesker er mere tilbøjelige til at være sårbare over for infektion, fordi de ofte har mindre adgang til tilstrækkelig sanitet eller sikkert vand til at drikke, gøremål, rekreation, fiskeri eller landbrug. Selv efter behandling, mennesker inficeres ofte igen ved deres konstante kontakt med forurenet vand.

Hvor skal man starte

Prakash besluttede at undersøge, hvordan schistosomiasis larver svømmer for at finde en menneskelig vært. Dette er et værdifuldt spørgsmål, fordi, i sin larveform, parasitten har ingen fodermekanisme og skal finde en vært inden for cirka 12 timer eller dø. Det står fornuftigt, derefter, at larverne sandsynligvis har nogle særlige, ekstremt effektive svømmefærdigheder. Det viser sig, at anelse er korrekt.

"Dette var ulig noget, jeg havde set før, "sagde Deepak Krishnamurthy, en ph.d. -studerende i Prakash Lab og hovedforfatter af undersøgelsen. "Da jeg så på denne parasit, Jeg var fascineret af, at det svømmede på en helt anden måde i forhold til enhver anden mikroorganisme, jeg kendte til. Parasitten havde en mystisk gaffelhale, noget, der aldrig er set før i andre svømmende mikroorganismer. "

Forskerne brugte tre forskellige tilgange til at undersøge dette ulige svømmetag. De afbildede levende parasitlarver med højhastighedsmikroskopi, de skabte en matematisk model for at forstå, hvordan parasitten interagerede med den omgivende væske, og til sidst oversatte de modellen til en opskaleret robot svømmer som en fysisk forlængelse for at lære mere om fysiske parametre i spil.

T-svømmeren

Mens man observerede larverne, holdet bemærkede et par svømmestile, som schistosomiasis larver anvender i forskellige situationer, og som primært adskiller sig i positionen af ​​den gaffelformede hale. Af disse, den ene skilte sig ud som unik. I dette slag, larverne stikker halen ud vinkelret på kroppen, som bogstavet T, får forskerne til at døbe dem T-svømmere.

Larverne skifter til T-svømning, når de bevæger sig mod tyngdekraften, hvilket de synes at gøre for at være tæt på vandoverfladen, hvor de mest sandsynligt finder en menneskelig vært. Højhastighedsvideo af levende larver svømning tillod forskerne at undersøge i dybden, hvordan denne nye svømmestil fungerer.

"Vi brugte utallige timer på at se hundredvis af disse parasitter svømme - det er som en besættelse, "sagde Yorgos Katsikis, en tidligere ph.d.-studerende i Prakash Lab og medforfatter af dette studie. "Derefter udviklede vi billedbehandlingsalgoritmer, der ville behandle disse data automatisk uden eksperimentel skævhed."

Disse brugerdefinerede algoritmer afslørede i detaljer den nøjagtige kinematik for, hvordan larverne bøjer deres krop og roterer deres hoved, hvor hurtigt de bevæger sig, og hvordan de accelererer og bremser og forstyrrer den omgivende væske.

Oprettelse af modeller

Parallelt med direkte observationer, forskerne udviklede flere matematiske og robotiske modeller til, hvordan en T-svømmer kunne svømme. De matematiske repræsentationer ligner tre stænger, den ene repræsenterer larvernes gaffelhale og de to andre dens bøjningshale og krop. Robotterne var på lignende måde struktureret og svømmede gennem majssirup, en 10, 000 gange mere tyktflydende modstykke til vandet, larverne angriber, at genskabe de samme fysiske effekter.

Med disse modeller, de kunne få modellarverne til at lave streger, der involverede forskellige kombinationer af halestivhed og bøjningsbevægelse. De kørte endda flere robotter, hver med små ændringer i deres stivhed i halen.

"I mange tilfælde, vi forsøger at kopiere naturen i robotter. Dette var meget anderledes, "sagde Krishnamurthy." Umiddelbart, det ligner, at jeg prøver at lave en robot, der svømmer som en parasit, men sandheden er, at det var det stik modsatte:Jeg byggede en robot for faktisk at forstå, hvordan den biologiske parasit svømmer. "

Hvad disse modeller og forskellige modifikationer afslørede, er larvenes virkelige svømmetag var faktisk den optimale version.

Prakash og Krishnamurthy har været i Madagaskar for at indsamle inficerede snegle og studere økologien for denne parasit i åbent vand i landsbyer i landdistrikterne. De håber, at deres arbejde ind og ud af laboratoriet vil hjælpe dem med at forstå, hvordan disse parasitter finder mennesker og bringe dem et skridt tættere på en økologisk løsning på denne udbredte sygdom.