Desenvolvimento de uma sonda de microscopia de força atômica baseada em ferrão de mosquito bio-híbrido

A Organização Mundial da Saúde (OMS) informou que as doenças transmitidas por vetores (VBDs) são responsáveis por mais de 17% de todas as doenças infecciosas, que causam mais de 7,00,000 mortes por ano em todo o mundo. Por exemplo, como o animal mais mortal do mundo, os mosquitos espalham vários patógenos, como dengue, malária e zika, por meio de artrópodes que se alimentam de sangue, resultando em 700 milhões de infecções a cada ano¹. Explorações para o desenvolvimento de medidas eficazes para prevenir VBDs são de importância crucial, incluindo imitar os comportamentos de penetração de mosquitos para investigar seus mecanismos de picada e estudos de barreiras potenciais para provar sua eficácia na prevenção da penetração. Um dos principais desafios é desenvolver abordagens adequadas para realizar tais investigações. Esforços têm sido feitos na literatura, incluindo o desenvolvimento de agulhas em microescala que se assemelham à geometria de um ferrão de mosquito; no entanto, muitos dos materiais usados para fazer essas microagulhas (ou seja, materiais viscoelásticos², silício (Si), vidro, cerâmica³, etc.) têm propriedades mecânicas diferentes do material biológico da tromba do mosquito. Os materiais de engenharia podem ser quebradiços e propensos a fraturas e flambagens ^3,4, enquanto a tromba do mosquito pode suportar melhor fraturas ou flambagens⁴. O benefício de ter uma sonda bio-híbrida usando o labrum de um mosquito em vez de materiais de engenharia é que ela pode ser uma representação mais precisa do mecanismo de perfuração dos mosquitos. Além disso, ferramentas especializadas devem ser integradas com microagulhas para realizar estudos quantitativos, como a medição precisa da força⁵, o que não é facilmente alcançável com configurações personalizadas usando microagulhas projetadas.

A abordagem baseada em microscopia de força atômica (AFM) é promissora, pois opera empregando um cantilever com uma ponta ultrafina que é cuidadosamente posicionada perto da superfície de uma amostra. A ponta pode escanear ou ser pressionada em direção a uma superfície, experimentando forças atrativas ou repulsivas variadas devido às suas interações com uma amostra⁶. Essas interações levam à deflexão do cantilever, que é rastreada pelo reflexo de um feixe de laser do topo do cantilever para um fotodetector⁶. A sensibilidade excepcional ao movimento do sistema permite que o AFM conduza uma escala diversa de medições, incluindo mas não limitadas ao mapeamento morfológico com precisão do picômetro, às medidas da força que variam dos piconewtons aos micronewtons, e às investigações multifísicas detalhadas⁷. Por exemplo, as reentrâncias do AFM podem ser executadas para avaliar precisamente a resposta à força aplicada de uma amostra e igualmente para medir a dureza, a elasticidade, e outras propriedades mecânicas de uma amostra acoplando com os modelos analíticos apropriados⁸. A ponta de prova do AFM é feita o mais geralmente do silicone (Si) ou do nitreto de silicone (Si₃N₄)⁸ com um comprimento do μm⁹ de 20-300 e de um raio da ponta na ordem de diversos às dezenas dos nanômetros¹⁰. O raio da ponta da escala nanométrica pode ser ideal para aplicações como imagens de alta resolução; no entanto, não possui as características dos ferrões biológicos para estudos que tentam imitar comportamentos de penetração em termos de rigidez, raio, forma e proporção. Por exemplo, a estrutura da microagulha de um mosquito é o fascículo, que tem uma proporção de ~ 60¹¹ (comprimento ~ 1,5 mm a 2 mm; diâmetro ~ 30 μm) ¹² . Quando uma ponta de prova convencional do AFM puder ser suposta assemelhar-se a um ferrão biológico como um labrum, suas propriedades e dimensões materiais distintas não refletirão a situação real durante uma mordida.

Para permitir investigações quantitativas de comportamentos de penetração que imitam mordidas biológicas de insetos ou outros animais com ferrões, aqui, um processo para fabricar balanços AFM bio-híbridos com um ferrão biológico à medida que sua ponta é desenvolvido. Como um estudo de caso, um modilhão do AFM com a ponta de um labrum do mosquito unido foi demonstrado com sucesso. Aproveitando as informações existentes da literatura sobre as forças de inserção típicas que um mosquito usa para perfurar a pele de uma vítima^12,13, este cantilever AFM bio-híbrido pode potencialmente permitir uma imitação quase real de picadas de mosquito sob um AFM regular. O protocolo de alavancar micro ferrões biológicos para fabricar os cantilares bio-híbridos do AFM pode igualmente ser aplicado ao desenvolvimento de outros suportes biohíbridos afiados-baseados ferrão-baseados do AFM para investigações quantitativas de uma variedade de mecanismos de mordida.

Terminologias
Um esquema de uma tromba e seus componentes de interesse são mostrados na Figura 1, e suas definições são (1) Probóscide: uma parte do corpo da boca de um mosquito que permite que o mosquito se alimente, com uma estrutura núcleo-concha composta pelo fascículo (núcleo) e o lábio (concha), (2) Lábio: a cobertura externa escura e romba de uma tromba², (3) Fascículo: um grupo de agulhas delgadas contidas dentro do lábio, incluindo duas maxilas, duas mandíbulas, uma hipofaringe e um lábio², (4) Hipofaringe: responsável pela secreção de saliva na corrente sanguínea do hospedeiro², (5) Maxilas: membro serrilhado auxiliando no mecanismo de alimentação², (5) Mandíbulas: semelhantes à maxila, auxiliam o mosquito no mecanismo de alimentação e têm uma ponta afiada², (6) Labrum: o principal membro para penetrar na pele de uma vítima, que é muito maior que as maxilas, mandíbulas e hipofaringe. Igualmente tem estruturas sensoriais que lhe permitem encontrar vasos sanguíneos e canais internos sob a pele², (7) Manipulador: um conjunto com três graus de liberdade e precisão da mícron-escala para o posicionamento, permitindo o movimento em sentidos de XYZ, (8) Conjunto da braçadeira: uma braçadeira feito-à-medida de 2 partes montada ao manipulador usado para prender o modilhão sem ponta do AFM durante a experiência.