Biyo-Hibrit Sivrisinek Stinger Tabanlı Atomik Kuvvet Mikroskobu Probunun Geliştirilmesi

Dünya Sağlık Örgütü (WHO), vektör kaynaklı hastalıkların (VBD’ler) tüm bulaşıcı hastalıkların %17’sinden fazlasını oluşturduğunu ve dünya çapında yılda 7.000.000’den fazla ölüme neden olduğunu bildirmiştir. Örneğin, dünyanın en ölümcül hayvanı olan sivrisinekler, kanla beslenen eklembacaklılar yoluyla dang humması, sıtma ve Zika gibi çok sayıda patojeni yayarak her yıl 700 milyon enfeksiyona neden olur¹. Sivrisineklerin ısırma mekanizmalarını araştırmak için penetrasyon davranışlarını taklit etmek ve penetrasyonu önlemedeki etkinliklerini kanıtlamak için potansiyel engellerin incelenmesi de dahil olmak üzere, VBD’leri önlemek için etkili önlemlerin geliştirilmesine yönelik araştırmalar çok önemlidir. Önemli zorluklardan biri, bu tür araştırmaları gerçekleştirmek için uygun yaklaşımlar geliştirmektir. Literatürde, bir sivrisinek iğnesinin geometrisine benzeyen mikro ölçekli iğnelerin geliştirilmesi de dahil olmak üzere çabalar sarf edilmiştir; bununla birlikte, bu mikro iğneleri yapmak için kullanılan malzemelerin çoğu (yani, viskoelastik malzemeler², silikon (Si), cam, seramik³, vb.), sivrisinek hortumunun biyolojik malzemesinden farklı mekanik özelliklere sahiptir. Mühendislik malzemeleri kırılgan olabilir ve kırılmaya ve burkulmaya^eğilimli olabilir ^3,4, oysa sivrisineğin hortumu kırılmaya veya burkulmaya daha iyi dayanabilir⁴. Mühendislik malzemeleri yerine bir sivrisineğin labrumunu kullanan biyo-hibrit bir proba sahip olmanın yararı, sivrisineklerin delici mekanizmasının daha doğru bir temsili olabilmesidir. Ayrıca, mühendislik ürünü mikro iğneler kullanılarak özelleştirilmiş kurulumlarla kolayca elde edilemeyen⁵ kuvvetinin doğru ölçümü gibi nicel çalışmaları gerçekleştirmek için özel aletler mikro iğnelerle entegre edilmelidir.

Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) tabanlı yaklaşım, bir numunenin yüzeyine dikkatlice yerleştirilmiş ultra ince uçlu bir konsol kullanarak çalışması açısından umut vericidir. Uç, bir numune⁶ ile etkileşimleri nedeniyle değişen çekici veya itici kuvvetlere maruz kalarak bir yüzeyi tarayabilir veya bir yüzeye doğru / içine bastırılabilir. Bu etkileşimler, konsolun üst kısmından bir lazer ışınının bir fotodetektöre⁶ yansımasıyla izlenen konsolun sapmasına yol açar. Sistemin hareketine karşı olağanüstü hassasiyeti, AFM’nin pikometre doğruluğu ile morfolojik haritalama, pikonewtonlardan mikronewtonlara kadar değişen kuvvet ölçümleri ve kapsamlı multifizik araştırmaları dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere çok çeşitli ölçümler yapmasını sağlar⁷. Örneğin, bir numunenin uygulanan kuvvete tepkisini hassas bir şekilde değerlendirmek ve ayrıca uygun analitik modellerle birleştirilerek bir numunenin sertliğini, elastikiyetini ve diğer mekanik özelliklerini ölçmek için AFM girintileri yapılabilir⁸. AFM’nin probu en yaygın olarak silikon (Si) veya silisyum nitrürden (Si₃N₄) ^yapılır.8 20-300 μm⁹ uzunluğunda ve birkaç ila onlarca nanometre¹⁰ mertebesinde bir uç yarıçapı. Nanometre ölçeği uç yarıçapı, yüksek çözünürlüklü görüntüleme gibi uygulamalar için ideal olabilir; Bununla birlikte, sertlik, yarıçap, şekil ve en boy oranı açısından penetrasyon davranışlarını taklit etmeye çalışan çalışmalar için biyolojik iğnelerin özelliklerine sahip değildir. Örneğin, bir sivrisineğin mikroiğne yapısı, ~60¹¹ (uzunluk ~ 1,5 mm ila 2 mm; çap ~ 30 μm^{) en} boy oranına sahip fasiküldür12. Konvansiyonel bir AFM probunun bir labrum gibi biyolojik bir iğneye benzediği varsayılabilirken, farklı malzeme özellikleri ve boyutları, bir ısırma sırasındaki gerçek durumu yansıtmayacaktır.

Böceklerin veya iğneli diğer hayvanların biyolojik ısırıklarını taklit eden penetrasyon davranışlarının nicel araştırmalarını mümkün kılmak için, burada, ucu biyolojik bir iğne olan biyo-hibrit AFM konsolları üretmek için bir süreç geliştirilmiştir. Bir vaka çalışması olarak, bir sivrisinek labrumunun ucu takılı bir AFM konsolu başarıyla gösterildi. Bir sivrisineğin kurbanın derisini delmek için kullandığı tipik yerleştirme kuvvetleri^12,13 hakkındaki literatürdeki mevcut bilgilerden yararlanan bu biyo-hibrit AFM konsolu, normal bir AFM altında sivrisinek ısırıklarının neredeyse gerçek taklidine potansiyel olarak izin verebilir. Biyo-hibrit AFM konsollarını imal etmek için mikro biyolojik iğnelerden yararlanma protokolü, çeşitli ısırma mekanizmalarının kantitatif araştırmaları için diğer keskin stinger bazlı biyohibrit AFM konsollarının geliştirilmesine de uygulanabilir.

Terminoloji
Bir hortumun şeması ve ilgilenilen bileşenleri Şekil 1’de gösterilmiştir ve tanımları şöyledir: (1) Hortum: Bir sivrisineğin ağzından çıkan ve sivrisineğin kendi kendini beslemesine izin veren, fasikül (çekirdek) ve labiumdan (kabuk) oluşan bir çekirdek-kabuk yapısına sahip bir vücut parçası, (2) Labium: bir hortumun koyu ve künt dış örtüsü², (3) Fasikül: iki maksilla, iki mandibula, bir hipofarenks ve bir labrum² dahil olmak üzere labiumun içinde bulunan bir grup ince iğne, (4) Hipofarenks: konakçının kan dolaşımına tükürük salgılamaktan sorumludur², (5) Maksilla: beslenme mekanizmasına yardımcı tırtıklı üye², (5) Mandibulalar: maksillaya benzer şekilde, sivrisineğe beslenme mekanizmasında yardımcı olurlar ve keskin bir uca sahiptirler², (6) Labrum: maksilla, mandibula ve hipofarenksten çok daha büyük olan bir kurbanın derisine nüfuz etmek için ana üye. Ayrıca deri altındaki kan damarlarını ve iç kanalları bulmasını sağlayan duyusal yapılara sahiptir², (7) Manipülatör: XYZ yönlerinde harekete izin veren, konumlandırma için üç serbestlik derecesine ve mikron ölçeğinde doğruluğa sahip bir düzenek, (8) Kelepçe düzeneği: deney sırasında uçsuz AFM konsolunu sıkıştırmak için kullanılan manipülatöre monte edilmiş özel yapım 2 parçalı bir kelepçe.