O objetivo deste protocolo é entregar refeições de sangue derivadas de animais e artificiais aos mosquitos Aedes aegypti através de um alimentador de membrana artificial e quantificar precisamente o volume de refeições ingeridas.
Fêmeas de certas espécies de mosquitos podem espalhar doenças enquanto mordem hospedeiros de vertebrados para obter refeições de sangue ricas em proteínas necessárias para o desenvolvimento de óvulos. Em laboratório, os pesquisadores podem entregar refeições de sangue derivadas de animais e artificiais para mosquitos através de alimentadores de membrana, que permitem a manipulação da composição da refeição. Aqui, apresentamos métodos para alimentar sangue e farelos artificiais de sangue aos mosquitos Aedes aegypti e quantificar o volume consumido por fêmeas individuais.
A alimentação direcionada e a quantificação de refeições artificiais/sanguíneas têm usos amplos, incluindo testar os efeitos dos componentes da refeição no comportamento e na fisiologia dos mosquitos, fornecer compostos farmacológicos sem injeção e infectar mosquitos com patógenos específicos. Adicionar corante de fluoresceína à refeição antes da alimentação permite quantificação subsequente do tamanho da refeição. O volume da refeição consumido pelos mosquitos pode ser medido tanto em peso, se as fêmeas forem usadas posteriormente para experimentos comportamentais, ou homogeneizando fêmeas individuais em placas de 96 poços e medindo níveis de fluorescência usando um leitor de placas como um ensaio de ponto final. A quantificação do tamanho da refeição pode ser usada para determinar se a alteração dos componentes da refeição altera o volume da refeição ingerida ou se o consumo de refeições difere entre as cepas de mosquitos. A quantificação precisa do tamanho da refeição também é fundamental para ensaios a jusante, como aqueles efeitos de medição na atração do hospedeiro ou na fecundidade. Os métodos aqui apresentados podem ser ainda mais adaptados para acompanhar a digestão das refeições ao longo dos dias ou incluir múltiplos marcadores distinguíveis adicionados a diferentes refeições (como néctar e sangue) para quantificar o consumo de cada refeição por um único mosquito.
Esses métodos permitem que os pesquisadores realizem sozinhos medidas de alto rendimento para comparar o volume de refeições consumido por centenas de mosquitos individuais. Essas ferramentas serão, portanto, amplamente úteis à comunidade de pesquisadores de mosquitos para responder a diversas questões biológicas.
Apresentamos um protocolo para alimentação de farinhas de sangue modificadas aos mosquitos Aedes aegypti utilizando um alimentador de membrana artificial e medindo precisamente o volume da refeição consumida por cada mosquito individual. Este protocolo pode ser adaptado de forma flexível para alterar o conteúdo da refeição ou para comparar o volume de refeições consumido por diferentes grupos experimentais de mosquitos.
O mosquito A. aegypti ameaça a saúde global espalhando patógenos que causam doenças como febre amarela, dengue, chikungunya e Zika1,2,3,4,5. As fêmeas Ae. aegypti são obrigatórias alimentadores sanguíneos; eles devem consumir sangue vertebrado para obter a proteína necessária para o desenvolvimento de óvulos, e cada embreagem de ovos requer uma refeição sanguínea completa de pelo menos um hospedeiro6,7,8. A fêmea mosquito primeiro morde seu hospedeiro perfurando a pele com seu estilo e saliva injetadora, que contém compostos que desencadeiam a resposta imune do hospedeiro9. Ela então se alimenta bombeando sangue através de seu estote em seu midgut. Ao consumir uma refeição sanguínea de um hospedeiro infectado, ela pode ingerir patógenos transmitidos pelo sangue6,8, que depois migram do meio do mosquito para as glândulas salivares10. Mosquitos fêmeas infectadas dessa forma podem espalhar doenças injetando patógenos junto com saliva ao morder os hospedeiros subsequentes11,12. Compreender e quantificar os mecanismos de comportamento sanguíneo são passos cruciais no controle da transmissão de doenças transmitidas por mosquitos.
Muitos protocolos laboratoriais para criação e experimentação de mosquitos usam animais vivos, incluindo camundongos, cobaias ou humanos como fonte de sangue13,14,15,16. O uso de animais vivos impõe preocupações éticas, bem como requisitos complexos para formação de pessoal, moradia e cuidado de animais e cumprimento das políticas do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC). Também limita os tipos de compostos que podem ser entregues aos mosquitos, o que restringe os estudos que podem ser realizados17.
Aparelhos artificiais de alimentação sanguínea, que normalmente usam um sistema de membrana para simular a pele hospedeira, são ferramentas úteis para estudar comportamentos de alimentação sanguínea que contornam a necessidade de manutenção de hospedeiros vivos. O sangue inteiro pode ser comprado de vários fornecedores e alimentado com mosquitos usando alimentadores de membrana artificial aquecidos, reveses de água ou dispositivos similares18,19. Neste protocolo, demonstramos o uso de pequenos alimentadores de membrana descartáveis denominados “Glytubes”. Este alimentador de membrana, publicado anteriormente por Costa-da-Silva et al. (2013)20, pode ser facilmente montado a partir de equipamentos de laboratório padrão, tornando-se ideal para fornecer refeições de sangue a um número moderado de mosquitos e simples de escalar para testar grupos maiores ou formulações múltiplas de refeições. O Glytube é uma alternativa barata e eficiente para outros alimentadores artificiais comerciais, que podem exigir maiores volumes de refeições e são mais adequados para alimentar grandes grupos de mosquitos em uma única formulação de refeição21.
Este protocolo inclui duas seções: preparar/entregar refeições artificiais e quantificar o consumo. Na primeira seção, os Glytubes são usados como um meio eficiente para fornecer dietas manipuladas. O sangue inteiro pode ser substituído por uma refeição inteiramente artificial para comparar os efeitos dos substitutos sanguíneos em vez de uma refeição de sangue. Uma receita adaptada de Kogan (1990)22 é apresentada aqui, embora várias formulações de refeições artificiais tenham sido desenvolvidas23,24. Além disso, a alimentação é um método menos invasivo e menos trabalhoso para introduzir compostos farmacológicos do que a injeção. Devido ao baixo volume total necessário para cada refeição (1-2 mL), este protocolo fornece um método de entrega atraente para reduzir as quantidades de reagentes caros. As fêmeas Ae. aegypti consomem prontamente refeições sem proteínas de solução salina com adenosina 5′-triphosphate (ATP)25,26, que fornece uma linha de base para medir os efeitos de componentes de refeição única. Por exemplo, o receptor semelhante ao Neuropeptide Y 7 (NPYLR7) no Ae. aegypti é conhecido por mediar a supressão em busca de hospedeiros após uma refeição sanguínea rica em proteínas, e quando os agonistas NPYLR7 são adicionados a uma refeição salina sem proteínas, mosquitos fêmeas exibem supressão em busca de hospedeiros semelhantes às que consumiram sangue inteiro7.
Na segunda seção, são apresentadas etapas para quantificar o volume de cada refeição consumida por um mosquito fêmea individualmente. Este ensaio é baseado em fluorescência e captura o estado de alimentação em maior resolução do que os métodos em que as fêmeas são classificadas como “alimentadas” ou “desapresas” com base apenas na avaliação visual da distensão abdominal. Adicionando fluoresceína à refeição antes da alimentação, os volumes de refeição ingeridos pelos indivíduos podem ser quantificados pela homogeneização de cada mosquito em um prato de 96 poços e medindo a intensidade da fluorescência como leitura. Este ensaio pode medir diferenças no vigor alimentar em resposta a variáveis como a composição da refeição ou o histórico genético dos mosquitos. A quantificação precisa é fundamental para tamanhos intermediários de refeições, por exemplo, quando as fêmeas são oferecidas refeições subótimas contendo impedimentos alimentares ou quando consomem refeições de sacarose de tamanhosvariáveis 27. Se os mosquitos alimentados forem necessários para ensaios comportamentais subsequentes após a quantificação do tamanho da refeição, o tamanho da refeição pode, em vez disso, ser calculado pesando fêmeas anestesiadas em grupos e estimando o aumento médio da massa por indivíduo. Embora menos precisa do que a marcação de fluoresceína, a pesagem ainda fornece uma estimativa agregada do volume da refeição e permite o exame do efeito da refeição em processos a jusante, como fecundidade ou atração subsequente do hospedeiro. Embora o tamanho da refeição sanguínea seja variável e possa ser influenciado por uma miríade de fatores11,28,29, tamanhos de refeição ingeridos medidos com os métodos descritos aqui são consistentes com quantificações anteriores7,30,31.
Para muitas aplicações de laboratório, os alimentadores de membrana artificial oferecem benefícios distintos em comparação com os hosts vivos, permitindo aos pesquisadores a capacidade de manipular diretamente o conteúdo da refeição. Embora vários métodos estejam disponíveis para alimentação artificial de membrana, o método descrito aqui oferece vantagens em flexibilidade, custo e throughput. Em comparação com outros alimentadores de membrana comercial, o ensaio do Glytube requer um pequeno volume de refeição, tornando-se um mecanismo de entrega eficiente para reagentes caros, incluindo medicamentos ou patógenos, minimizando o volume total necessário7,35. Como tanto o soro fisiológico sem proteínas quanto as refeições artificiais de sangue promovem o engorgador, compostos ou patógenos podem ser adicionados a qualquer refeição como uma alternativa de alta produtividade e não invasiva às injeções. Além disso, cada componente do Glytube pode ser facilmente lavado, substituído ou dimensionado para entregar e quantificar vários tipos de refeições sem contaminação cruzada do aparelho alimentar.
Para quantificar os volumes de refeição consumidos pelos mosquitos, o método baseado em fluorescência permite uma quantificação mais precisa do tamanho da refeição do que pesar os mosquitos antes e depois da alimentação. Deve-se notar que este método é um ensaio de ponto final. Em contraste, a pesagem permite que os mosquitos sejam mantidos vivos para mais experimentos. Usando um leitor de pratos, o método baseado em fluorescência pode ser facilmente dimensionado para quantificação de alta produtividade de refeições consumidas por centenas de fêmeas individuais.
Para alcançar altas taxas de alimentação, uma combinação de pistas suficientes de hospedeiro deve estar presente para ativar o comportamento feminino em busca de hospedeiros e atrair fêmeas para o alimentador. Se os mosquitos não estiverem se aglomerando sob o Glytube, a refeição pode não ser adequadamente aquecida, ou a entrega de CO2 pode não ser suficiente. A adição de odor humano à superfície da membrana aumenta de forma confiável a atratividade da membrana artificial. Se os mosquitos forem observados sob o Glytube, mas não se alimentarem, a composição da refeição pode ser a culpada. As fêmeas não podem se alimentar se a refeição em si não estiver quente, o sangue é muito velho, ou se os aditivos para a refeição são intrinsecamente aversivos ou causam uma reação química indesejável36. ATP adicional também aumenta de forma confiável as taxas de alimentação e pode ser dimensionada até uma concentração final de 2 mM em cada uma das receitas fornecidas. As fêmeas não podem se alimentar se o parafilm não for puxado esticada através da tampa do Glytube; o parafilme deve ser uniformemente transparente e não deve dobrar, pois isso impede que a fêmea seja capaz de efetivamente perfurar o parafilme com seu estomado. Se a refeição vazar através do Glytube na malha, o parafilme pode ter rasgado durante o processo de alongamento e deve ser substituído.
A alteração da composição da refeição também pode permitir que os pesquisadores manipulem o tempo necessário para limpar a refeição do midgut, bem como o comportamento subsequente de busca de hospedeiros. As refeições aqui apresentadas requerem 24-36 h para digestão7 semelhante ao sangue derivado de animais. Depois de se alimentar em qualquer uma dessas refeições, as fêmeas suprimirão a busca de hospedeiros durante a janela de tempo de digestão. Como a refeição salina carece de proteína, as fêmeas voltam à busca de acolhimento após a refeição ser liberada. Se um retorno mais rápido for desejável, os pesquisadores podem escolher refeições salinas alternativas de “limpeza rápida” que são excretadas em aproximadamente 6 h27. Embora a composição da refeição salina aqui apresentada aqui seja combinada com a comparação direta dos resultados com a refeição artificial do sangue, a refeição de “limpeza rápida” corresponde mais de perto aos níveis fisiológicos de sal encontrados no sangue dos vertebrados.
Os métodos aqui descritos têm limitações que devem ser consideradas antes de selecionar o ensaio mais adequado aos objetivos experimentais do pesquisador. As medidas de fluoresceína descritas não permitem que os mosquitos sejam usados novamente para experimentação adicional. No entanto, as medidas de peso podem ser tomadas antes da quantificação do tamanho da refeição usando o ensaio de fluoresceína. Se o peso e o tamanho da refeição forem consistentes em vários ensaios para uma determinada refeição, o peso pode ser usado como proxy em experimentos futuros. Além disso, este protocolo não distingue entre déficits na busca de hospedeiros versus comportamento de alimentação sanguínea; mosquitos que apresentem prejuízos ao encontrar o alimentador de membrana terão uma redução nas taxas de alimentação e/ou tamanho da refeição. Adicionando uma câmera para registrar o comportamento durante todo o ensaio, os pesquisadores podem determinar se as fêmeas não conseguem encontrar o Glytube, ou se encontram o Glytube, mas não se alimentam.
O ensaio aqui descrito pode ser adaptado para explorar muitas questões pendentes relacionadas ao comportamento alimentar em mosquitos. Por exemplo, a contribuição de proteínas sanguíneas específicas pode ser explorada alterando a proporção de proteínas constituintes ou concentração total de proteínas na refeição sanguínea artificial. Para avaliar os tamanhos das refeições de múltiplos eventos de alimentação, corantes com espectros distintos de fluorescência podem ser adicionados para diferenciar refeições de fontes únicas37. Este protocolo também pode ser modificado para estimular separadamente as partes bucais internas que detectam sangue e que são usadas para ingestão (ou seja, mais stylet), e os apêndices que entram em contato com a pele (ou seja, labium, pernas) como o mosquito pousa para iniciar a alimentação sanguínea36. Por exemplo, se os ligantes são adicionados diretamente à refeição, eles não entram em contato com o lábio e as pernas, uma vez que a membrana é perfurada apenas pelo estomado. Se os ligantes forem adicionados à superfície externa do parafilme, eles permanecem separados da refeição e podem ser contatados pelo lábio e pernas36. Finalmente, a cinética detalhada do comportamento de alimentação sanguínea não é bem compreendida e o método aqui apresentado poderia ser modificado para combinar rastreamento de alta resolução com ferramentas de aprendizado de máquina para extrair leituras comportamentais da locomoção, postura e dinâmica alimentar38.
Este protocolo visa ser fácil de usar e econômico, com a capacidade de atender pesquisadores que empregam manipulações farmacológicas e genéticas para estudar a alimentação sanguínea de mosquitos e o comportamento pós-alimentação sanguínea.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Nipun Basrur, Adriana K. Rosas Villegas, Nadav Shai e Trevor Sorrells pelos comentários sobre os manuscritos, e Zhongyan Gong e Kyrollos Barsoum pela assistência técnica. Agradecemos a Alex Wild pelas fotografias usadas na Figura 1. K.V. foi apoiado pela bolsa de doutorado Da Boehringer Ingelheim Fonds. V.J. foi apoiado em parte pelo NIH T32-MH095246. Este trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa para a Universidade Rockefeller do Instituto Médico Howard Hughes através do programa James H. Gilliam Fellowships for Advanced Study para V.J. Este material é baseado em trabalho apoiado pelo Programa de Bolsas de Pós-Graduação da Fundação Nacional de Ciência sob o Grant No. NSF DGE-1325261 para V.J. Quaisquer opiniões, achados e conclusões ou recomendações expressas neste material são do autor e não refletem necessariamente as opiniões da Fundação Nacional de Ciência.
15 mL conical tubes | Fisher Scientific | 14-959-70C | |
3 mm diameter borosilicate solid-glass bead | MilliporeSigma | Z143928 | For use for bead mill homogenizer; not required if using pellet pestle grinder |
32 oz. high-density polyethylene (HDPE) plastic cup | VWR | 89009-668 | Example mosquito container used for feeding assays shown; alternate options can be used |
50 mL conical tubes | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
96-well black polystyrene plate | ThermoFisher | 12-566-09 | |
96-well PCR plate sealing film | Bio-Rad | MSB1001 | Alternate options can be used |
96-well PCR plates | Bio-Rad | HSP9621 | Alternate options can be used |
Adenosine 5′-triphosphate (ATP) disodium salt hydrate | MilliporeSigma | A6419 | |
Albumin (human serum) | MilliporeSigma | A9511 | |
Aluminum foil | Fisher Scientific | 01-213 | Alternate options can be used to block light entering fluorescein container |
Balance | Fisher Scientific | 01-911 | Alternate options can be used |
Bead mill homogenizer | Qiagen | 85300 | Not required if using pellet pestle grinder |
Cotton ball | Fisher Scientific | 22456880 | For nectar-feeding; alternate options can be used |
Defibrinated sheep blood | Hemostat Laboratories | DSB100 | Alternate options can be used |
Drosophila CO2 fly pad | Tritech Research | MINJ-DROS-FP | Alternate options can be used |
Fluorescein | MilliporeSigma | F6377 | |
Fluorescence plate-reader | ThermoFisher | VL0000D0 | Alternate options can be used |
Gamma-globulin (human blood) | MilliporeSigma | H7379 | |
Glycerol | MilliporeSigma | G7893 | |
Hemoglobin (human) | MilliporeSigma | G4386 | |
Laboratory wrapping film – parafilm | Fisher Scientific | 13-374 | |
Magnetic stirrer | Fisher Scientific | 90-691 | Alternate magnetic stirrers can be used |
Microcentrifuge for 96-well plate | VWR | 80094-180 | Alternate options can be used |
Microcentrifuge Tubes | MilliporeSigma | 2236412 | Alternate options can be used |
Pellet pestle grinder | VWR | KT749521-1500 | Not required if using bead mill homogenizer |
Phosphate buffered solution (PBS) | Fisher Scientific | BW17-516F | Optional |
Razor blades | Fisher Scientific | 12-640 | Alternate options can be used, such as a lathe for better consistency of cutting |
Rubber bands | |||
Silicone tubing | McMaster Carr | Needed if using a fly pad for CO2 delivery | |
Sodium bicarbonate (NaHCO3) | Fisher Scientific | S233 | |
Sodium chloride (NaCl) | MilliporeSigma | S9888 | |
Stir bars | Fisher Scientific | 14-512 | Alternate magnetic stir bars can be used |
Translucent polypropylene storage box with removable lid | Example box used for feeding assays shown | ||
Vortex mixer | |||
Water bath | Alternate heating device may be used | ||
White 0.8 mm polyester mosquito netting | American Home & Habit Inc. | F03A-PONO-MOSQ-M008-WT | Alternate options can be used |