В течение нескольких лет Ману Пракаш, доцент кафедры биоинженерии, выезжал на места, чтобы испытать новые недорогие микроскопы в качестве инструмента для диагностики паразитарного шистосомоза. Устройства были многообещающими, но Пракаш был озадачен тем, как часто дети, лечившиеся от этой болезни, заражаются повторно. Пракаш быстро обратил внимание на профилактику инфекций.
Это новое направление заставило его команду задуматься над фундаментальным вопросом в цикле передачи: как этот паразит на самом деле перемещается в открытой воде, чтобы заразить человека-носителя? Они надеются, что, поняв биофизику плавания этого паразита, можно будет воспрепятствовать его движению и предотвратить заражение. Результаты этого исследования опубликованы в выпуске Nature Physics от 31 октября.
«Мы начали думать об экологическом контексте цикла заболевания шистосомозом, когда в полевых условиях увидели ужасную травму, которую он наносит людям», - сказал Пракаш, старший автор исследования. «Он проявляется в течение длительного периода времени, и если близлежащий водоем заражен, то очень высока вероятность того, что вы заболеете. Таким образом, вы можете принимать лекарства, которые могли бы вылечить вас на какое-то время, но вы получаете снова заразился."
Изнурительная болезнь
Люди заражаются шистосомозом, когда личиночная форма паразита покидает пресноводную улитку-хозяина, плавает в воде и проникает в кожу человека. Попадая в человека, личинки развиваются во взрослых шистосом. Позже самки паразитов выделяют яйца, которые либо выводятся из организма с мочой и стулом, либо задерживаются в тканях организма, вызывая иммунный ответ и крупномасштабное повреждение органов. Когда яйца из мочи или стула попадают в водоем с пресноводными улитками-хозяевами, цикл начинается снова.
Инфекция шистосомоза часто вызывает боль в животе, диарею и кровь в стуле или моче. Это также может привести к отставанию в обучении у детей и неспособности работать у взрослых, из-за чего семьи оказываются в ловушке цикла бедности. С годами у взрослых может развиться рак мочевого пузыря или серьезное поражение почек, что снижает качество их жизни. В некоторых случаях заболевание приводит к летальному исходу.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в 2014 году 258 миллионов человек нуждались в профилактическом лечении от шистосомоза, и, по оценкам, 20 000 человек умерли. Как и многие другие забытые тропические болезни, шистосомоз несоразмерно поражает людей, живущих в бедности. Эти люди более уязвимы к инфекции, потому что у них часто меньше доступа к надлежащей санитарии или безопасной воде для питья, работы по дому, отдыха, рыбалки или ведения сельского хозяйства. Даже после лечения люди часто повторно заражаются через постоянный контакт с зараженной водой.
С чего начать
Пракаш решил исследовать, как личинки шистосомоза плавают, чтобы найти человека-хозяина. Это ценный вопрос, потому что в своей личиночной форме паразит не имеет механизма питания и должен найти хозяина в течение примерно 12 часов или умереть. Само собой разумеется, что личинки, вероятно, обладают некоторыми особыми, чрезвычайно эффективными навыками плавания. Оказывается, догадка верна.
«Это было не похоже ни на что, что я видел раньше», - сказал Дипак Кришнамурти, аспирант лаборатории Пракаша и ведущий автор исследования. «Когда я посмотрел на этого паразита, я был очарован тем фактом, что он плавал совершенно иначе, чем любой другой известный мне микроорганизм. У паразита был загадочный раздвоенный хвост, чего никогда раньше не видели ни у одного другие плавающие микроорганизмы."
Исследователи использовали три различных подхода к исследованию этого странного плавательного движения. Они визуализировали живых личинок паразита с помощью высокоскоростной микроскопии, создали математическую модель, чтобы понять, как паразит взаимодействует с окружающей жидкостью, и, наконец, они преобразовали эту модель в увеличенного робота-пловца в качестве физического расширения, чтобы узнать больше о физических параметрах. в игре.
Т-пловец
Наблюдая за личинками, команда заметила несколько стилей плавания, которые личинки шистосомоза используют в различных ситуациях и которые различаются, прежде всего, положением раздвоенного хвоста. Из них один выделялся как уникальный. В этом гребке личинки высовывают хвост перпендикулярно телу, как буква Т, что побудило исследователей окрестить их Т-пловцами.
Личинки переключаются на Т-образное плавание, когда они двигаются против силы тяжести, что они, по-видимому, делают для того, чтобы оказаться у поверхности воды, где они, скорее всего, найдут человека-хозяина. Высокоскоростное видео плавания живых личинок позволило исследователям подробно изучить, как работает этот новый стиль плавания.
«Мы провели бессчетное количество часов, наблюдая, как плавают сотни этих паразитов - это похоже на одержимость», - сказал Йоргос Кацикис, бывший аспирант лаборатории Пракаша и соавтор этого исследования. «Затем мы разработали алгоритмы обработки изображений, которые будут обрабатывать эти данные автоматически без какой-либо экспериментальной предвзятости».
Эти пользовательские алгоритмы подробно показали точную кинематику того, как личинки изгибают свое тело и поворачивают голову, как быстро они двигаются и как они ускоряются и замедляются и возмущают окружающую жидкость.
Создание моделей
Параллельно с непосредственными наблюдениями исследователи разработали несколько математических и роботизированных моделей того, как пловец может плавать. Математические представления выглядят как три стержня, один из которых представляет раздвоенный хвост личинки, а два других - его изгибающийся хвост и тело. Роботы были устроены аналогично и плавали в кукурузном сиропе, в 10 000 раз более вязком, чем вода, в которой обитают личинки, чтобы воссоздать те же физические эффекты..
С помощью этих моделей они могли заставить модельную личинку выполнять движения, которые включали различные комбинации жесткости хвоста и движения изгиба. Они даже участвовали в гонках на нескольких роботах, у каждого из которых были небольшие изменения жесткости хвоста.
«Во многих случаях мы пытаемся воспроизвести природу в роботах. Это было совсем по-другому», - сказал Кришнамурти. «На первый взгляд кажется, что я пытаюсь создать робота, который плавает как паразит, но на самом деле все было как раз наоборот: я создавал робота, чтобы понять, как плавает биологический паразит».
Эти модели и различные модификации показали, что настоящий плавательный ход личинок действительно был оптимальной версией.
Пракаш и Кришнамурти были на Мадагаскаре, собирая зараженных улиток и изучая экологию этого паразита в открытой воде в сельской местности. Они надеются, что их работа в лаборатории и за ее пределами поможет им понять, как эти паразиты находят людей, и приблизит их на один шаг к экологическому решению этой широко распространенной болезни.