تطوير مسبار مجهري للقوة الذرية قائم على البعوض الحيوي الهجين القائم على ستينغر

أفادت منظمة الصحة العالمية (WHO) أن الأمراض المنقولة بالنواقل (VBDs) تمثل أكثر من 17٪ من جميع الأمراض المعدية ، والتي تسبب أكثر من 7،00،000 حالة وفاة سنويا على مستوى العالم. على سبيل المثال ، باعتباره الأكثر فتكا في العالم ، ينشر البعوض العديد من مسببات الأمراض ، مثل حمى الضنك والملاريا وزيكا ، من خلال المفصليات التي تتغذى على الدم ، مما يؤدي إلى 700 مليون إصابة كل عام¹. تعتبر الاستكشافات نحو تطوير تدابير فعالة لمنع VBDs ذات أهمية حاسمة ، بما في ذلك محاكاة سلوكيات اختراق البعوض للتحقيق في آليات العض ودراسات الحواجز المحتملة لإثبات فعاليتها في منع الاختراق. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في وضع نهج مناسبة لإجراء مثل هذه التحقيقات. وقد بذلت جهود في الأدبيات ، بما في ذلك تطوير إبر صغيرة الحجم تشبه هندسة لدغة البعوض. ومع ذلك ، فإن العديد من المواد المستخدمة في صنع هذه الإبر الدقيقة (أي المواد اللزجة^{المرنة 2} ، والسيليكون (Si) ، والزجاج ، والسيراميك³ ، وما إلى ذلك) لها خصائص ميكانيكية مختلفة عن المواد البيولوجية لخرطوم البعوض. يمكن أن تكون المواد الهندسية هشة وعرضة للكسر والالتواء ^3,4 ، في حين أن خرطوم البعوض يمكن أن يتحمل الكسر أو التواء بشكل أفضل⁴. تتمثل فائدة وجود مسبار هجين حيوي يستخدم شفا البعوض بدلا من المواد الهندسية في أنه يمكن أن يكون تمثيلا أكثر دقة لآلية ثقب البعوض. أيضا ، يجب دمج الأدوات المتخصصة مع الإبر الدقيقة لإجراء دراسات كمية ، مثل القياس الدقيق للقوة⁵ ، والذي لا يمكن تحقيقه بسهولة باستخدام الإعدادات المخصصة باستخدام الإبر الدقيقة الهندسية.

يعد النهج القائم على مجهر القوة الذرية (AFM) واعدا من حيث أنه يعمل من خلال استخدام ناتئ بطرف فائق الدقة يتم وضعه بعناية بالقرب من سطح العينة. يمكن للطرف إما أن يمسح عبر أو يضغط باتجاه / إلى سطح ، ويواجه قوى جذب أو تنافر متفاوتة بسبب تفاعلاته مع العينة⁶. تؤدي هذه التفاعلات إلى انحراف الكابولي ، والذي يتم تتبعه من خلال انعكاس شعاع الليزر من أعلى الكابولي على كاشف ضوئي⁶. تمكن الحساسية الاستثنائية لحركة النظام AFM من إجراء مجموعة متنوعة من القياسات ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر رسم الخرائط المورفولوجية بدقة picometer ، وقياسات القوة التي تتراوح من piconewtons إلى micronewtons ، والتحقيقات الشاملة متعددة^{الفيزياء 7}. على سبيل المثال ، يمكن إجراء المسافات البادئة AFM لتقييم الاستجابة بدقة للقوة المطبقة للعينة وأيضا لقياس الصلابة والمرونة والخصائص الميكانيكية الأخرى للعينة عن طريق الاقتران بالنماذج التحليلية المناسبة⁸. يتكون مسبار AFM بشكل شائع من السيليكون (Si) أو نيتريد السيليكون (Si₃N₄)⁸ بطول 20-300 ميكرومتر⁹ ونصف قطر طرف بترتيب عدة إلى عشرات النانومتر¹⁰. يمكن أن يكون نصف قطر طرف مقياس النانومتر مثاليا لتطبيقات مثل التصوير عالي الدقة. ومع ذلك ، فإنه لا يمتلك خصائص اللسعات البيولوجية للدراسات التي تحاول تقليد سلوكيات الاختراق من حيث الصلابة ونصف القطر والشكل ونسبة العرض إلى الارتفاع. على سبيل المثال ، بنية الإبرة الدقيقة للبعوض هي الكراسة ، التي لها نسبة عرض إلى ارتفاع ~ 60¹¹ (الطول ~ 1.5 مم إلى 2 مم ؛ القطر ~ 30 ميكرومتر) ¹². في حين يمكن افتراض أن مسبار AFM التقليدي يشبه اللدغة البيولوجية مثل الشفا ، فإن خصائصه وأبعاده المادية المميزة لن تعكس الوضع الحقيقي أثناء اللدغة.

لتمكين التحقيقات الكمية لسلوكيات الاختراق التي تحاكي اللدغات البيولوجية للحشرات أو الأخرى مع اللاسعات ، هنا ، عملية لتصنيع ناتئ AFM الهجين الحيوي مع ستينغر بيولوجي حيث يتم تطوير طرفه. كدراسة حالة ، تم بنجاح عرض ناتئ AFM مع طرف شفا البعوض المرفقة. من خلال تسخير المعلومات الموجودة من الأدبيات حول قوى الإدخال النموذجية التي تستخدمها البعوضة لاختراق جلد الضحية^12,13 ، يمكن أن يسمح ناتئ AFM الهجين الحيوي هذا بتقليد شبه حقيقي لدغات البعوض تحت AFM العادي. يمكن أيضا تطبيق بروتوكول الاستفادة من اللاسعات البيولوجية الدقيقة لتصنيع ناتئات AFM الهجينة بيولوجيا لتطوير ناتئ AFM الحيوي الهجين الحاد الآخر القائم على ستينغر لإجراء تحقيقات كمية لمجموعة متنوعة من آليات العض.

المصطلحات
يظهر الشكل 1 مخططا للخرطوم ومكوناته ذات الأهمية ، وتعريفاتها هي (1) خرطوم: جزء من الجسم من فم البعوض يسمح للبعوض بإطعام نفسه ، مع بنية قشرة أساسية تتكون من الكراسة (النواة) والشفة (القشرة) ، (2) الشفرين: الغطاء الخارجي الداكن وغير الحاد للخرطوم²، (3) الكراسة: مجموعة من الإبر النحيلة الموجودة داخل الشفرين ، بما في ذلك اثنين من الفك العلوي ، واثنين من الفك السفلي ، والبلعوم السفلي ، والشفا² ، (4) Hypopharynx: المسؤول عن إفراز اللعاب في مجرى دم المضيف² ، (5) الفك العلوي: عضو مسنن يساعد في آلية التغذية² ، (5) الفك السفلي: على غرار الفك العلوي ، فهي تساعد البعوض في آلية التغذية ولها طرف حاد²، (6) الشفا: العضو الرئيسي لاختراق جلد الضحية ، وهو أكبر بكثير من الفك العلوي والفك السفلي والبلعوم السفلي. كما أن لديها هياكل حسية تسمح لها بالعثور على الأوعية الدموية والقنوات الداخلية تحت الجلد² ، (7) مناول: تجميع بثلاث درجات من الحرية ودقة مقياس ميكرون لتحديد المواقع ، مما يسمح بالحركة في اتجاهات XYZ ، (8) تجميع المشبك: مشبك مكون من جزأين مصنوع خصيصا مثبت على المناور المستخدم لربط ناتئ AFM بدون طرف أثناء التجربة.