Разработка биогибридного зонда атомно-силовой микроскопии на основе укуса комара

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сообщила, что трансмиссивные болезни (ВБД) составляют более 17% всех инфекционных заболеваний, которые вызывают более 7 000 000 смертей в год во всем мире. Например, будучи самым смертоносным животным в мире, комары распространяют многочисленные патогены, такие как лихорадка денге, малярия и вирус Зика, через кровососущих членистоногих, что приводит к 700 миллионам инфекций каждый год^. Исследования в направлении разработки эффективных мер по предотвращению ВБД имеют решающее значение, включая имитацию поведения комаров при проникновении для изучения механизмов их укуса и изучение потенциальных барьеров, чтобы доказать их эффективность в предотвращении проникновения. Одна из ключевых задач заключается в разработке надлежащих подходов к проведению таких расследований. В литературе были предприняты усилия, в том числе разработка микромасштабных игл, напоминающих геометрию жала комара; однако многие материалы, используемые для изготовления этих микроигл (т.е. вязкоупругие материалы², кремний (Si), стекло, керамика³ и т.д.), имеют другие механические свойства, чем биологический материал хоботка комара. Инженерные материалы могут быть хрупкими и склонными к разрушению и изгибу ^3,4, в то время как хоботок комара может лучше выдерживать перелом или коробление⁴. Преимущество наличия биогибридного зонда, использующего губу комара вместо инженерных материалов, заключается в том, что он может быть более точным представлением механизма прокалывания комаров. Кроме того, специализированные инструменты должны быть интегрированы с микроиглами для выполнения количественных исследований, таких как точное измерение силы⁵, что нелегко достижимо при индивидуальной настройке с использованием специальных микроигл.

Подход, основанный на атомно-силовой микроскопии (АСМ), является многообещающим в том смысле, что он работает с использованием кантилевера с ультратонким наконечником, который аккуратно расположен близко к поверхности образца. Наконечник может либо сканировать поперек, либо прижиматься к поверхности, испытывая различные силы притяжения или отталкивания из-за его взаимодействия с образцом⁶. Эти взаимодействия приводят к отклонению консоли, которое отслеживается отражением лазерного луча от верхней части консоли на фотодетектор⁶. Исключительная чувствительность системы к движению позволяет АСМ проводить широкий спектр измерений, включая, помимо прочего, морфологическое картирование с точностью пикометра, измерения сил в диапазоне от пиконьютонов до микроньютонов и комплексные мультифизические исследования⁷. Например, вдавливание АСМ может быть выполнено для точной оценки реакции на приложенную силу образца, а также для измерения твердости, эластичности и других механических свойств образца путем сопряжения с соответствующими аналитическими моделями⁸. Зонд АСМ чаще всего изготавливается из кремния (Si) или нитрида кремния (Si₃N₄)⁸ длиной 20-300 мкм⁹ и радиусом наконечника порядка нескольких до десятков нанометров¹⁰. Радиус наконечника в нанометровом масштабе может быть идеальным для таких приложений, как визуализация с высоким разрешением; однако он не обладает характеристиками биологических жал для исследований, которые пытаются имитировать поведение проникновения с точки зрения жесткости, радиуса, формы и соотношения сторон. Например, микроигольчатая структура комара представляет собой пучок, который имеет соотношение сторон ~60¹¹ (длина ~ 1,5 мм до 2 мм; диаметр ~ 30 мкм)¹². Хотя можно предположить, что обычный зонд АСМ напоминает биологическое жало, такое как лабрум, его отличительные свойства материала и размеры не будут отражать реальную ситуацию во время укуса.

Чтобы обеспечить количественные исследования проникающего поведения, имитирующего биологические укусы насекомых или других животных с жалами, здесь разработан процесс изготовления биогибридных консолей AFM с биологическим жалом в качестве наконечника. В качестве примера была успешно продемонстрирована консоль AFM с прикрепленным кончиком губы комара. Используя существующую информацию из литературы о типичных силах введения, которые комар использует для прокалывания кожи жертвы^12,13, этот биогибридный кантилевер АСМ потенциально может обеспечить почти реальную имитацию укусов комаров при обычном АСМ. Протокол использования микробиологических стингеров для изготовления биогибридных консолей АСМ также может быть применен для разработки других биогибридных кантилеверов АСМ на основе острых жал для количественных исследований различных механизмов укуса.

Термины
Схема хоботка и его компонентов, представляющих интерес, показана на рисунке 1, и их определения следующие: (1) Хоботок: часть тела комара изо рта, которая позволяет комару питаться, со структурой сердцевины и раковины, состоящей из пучка (сердцевины) и лабиума (раковины), (2) Губа: темный и тупой внешний покров хоботка², (3) Пучок: группа тонких игл, содержащихся внутри половых губ, включая две верхние челюсти, две челюсти, гипофаринкс и губу², (4) Гипофаринкс: отвечает за секрецию слюны в кровоток хозяина², (5) Верхние челюсти: зубчатый член, помогающий в механизме питания², (5) Нижние челюсти: подобно верхней челюсти, они помогают комару в механизме питания и имеют острый кончик², (6) Губа: основной элемент для проникновения в кожу жертвы, который намного больше, чем верхние челюсти, мандибулы и глотка. Он также имеет сенсорные структуры, которые позволяют ему находить кровеносные сосуды и внутренние каналы под кожей², (7) Манипулятор: узел с тремя степенями свободы и точностью в микронном масштабе для позиционирования, позволяющий двигаться в направлениях XYZ, (8) Зажим в сборе: изготовленный на заказ зажим из 2 частей, установленный на манипуляторе, используемом для зажима консольного АСМ без наконечника во время эксперимента.