I flera år har Manu Prakash, en biträdande professor i bioingenjör, har gått till fältplatser för att testa nya, billiga mikroskop som ett verktyg för att diagnostisera parasitiska sjukdomen schistosomiasis. Enheterna visade löfte, men Prakash var förvirrad över hur ofta barn som behandlades för sjukdomen infekterades igen. Prakash vände snabbt uppmärksamheten på att förebygga infektioner från början.

Detta nya fokus fick sitt team att tänka på en grundläggande fråga i överföringscykeln:Hur rör sig denna parasit egentligen i öppet vatten för att infektera en mänsklig värd? De hoppas att genom att förstå biofysiken för hur denna parasit simmar, det kan vara möjligt att hindra rörelsen och motverka infektion. Resultaten av denna studie publiceras i 31 oktober -numret av Naturfysik .

"Vi började tänka på det ekologiska sammanhanget för schistosomiasis sjukdomscykel när, ute på fältet, vi såg det fruktansvärda trauma det orsakar människor, "sa Prakash, senior författare till studien. "Det manifesterar sig under lång tid, och om vattenmassan nära dig är infekterad, det är mycket stor risk att du får sjukdomen. Så, effektivt, du kan ta droger som kan bota dig en tid men du blir smittad igen. "

En försvagande sjukdom

Människor blir smittade med schistosomiasis när parasitens larvform lämnar sötvattenssnigelvärden, simmar genom vattnet och tränger in i människans hud. En gång i en person, larverna utvecklas till vuxna schistosomer. De kvinnliga parasiterna släpper senare ägg, som antingen passerar ut ur kroppen genom urin och avföring eller fångas i kroppsvävnader, utlöser ett immunsvar och storskaliga organskador. När äggen från urin eller avföring kommer in i en vattendrag med sötvattenssnigelvärden, cykeln börjar igen.

Schistosomiasis -infektion ger ofta buksmärtor, diarré och blod i avföringen eller urinen. Det kan också orsaka inlärningsbrister hos barn och en oförmåga att arbeta hos vuxna som fångar familjer i en fattigdomscykel. Över åren, vuxna kan utveckla blåscancer eller allvarlig njurskada, vilket minskar deras livskvalitet. I vissa fall leder sjukdomen till döden.

Världshälsoorganisationen (WHO) uppskattar att 258 miljoner människor behövde förebyggande behandling av schistosomiasis 2014, med uppskattningsvis 20, 000 dödsfall. Som med många andra försummade tropiska sjukdomar, schistosomiasis påverkar oproportionerligt mycket människor som lever i fattigdom. Dessa människor är mer benägna att vara sårbara för infektion eftersom de ofta har mindre tillgång till adekvat sanitet eller säkert vatten att dricka, sysslor, rekreation, fiske eller jordbruk. Även efter behandling, människor smittas ofta igen genom sin ständiga kontakt med förorenat vatten.

Var ska man börja

Prakash bestämde sig för att undersöka hur schistosomiasis larver simmar för att hitta en mänsklig värd. Detta är en värdefull fråga eftersom, i sin larvform, parasiten har ingen matningsmekanism och måste hitta en värd inom cirka 12 timmar eller dö. Det står förnuftigt, sedan, att larverna sannolikt har några speciella, extremt effektiv simning. Det visar sig att aning är korrekt.

"Det här var till skillnad från allt jag hade sett förut, "sa Deepak Krishnamurthy, en doktorand i Prakash Lab och huvudförfattare till studien. "När jag tittade på denna parasit, Jag fascinerades av det faktum att det simmade på ett helt annat sätt jämfört med någon annan mikroorganism jag kände till. Parasiten hade en mystisk gafflad svans, något som aldrig har setts tidigare i några andra simmikroorganismer. "

Forskarna använde tre olika metoder för att undersöka denna udda simning. De avbildade levande parasitlarver med höghastighetsmikroskopi, de skapade en matematisk modell för att förstå hur parasiten interagerade med den omgivande vätskan, och slutligen översatte de modellen till en uppskalad robot simmare som en fysisk förlängning för att lära sig mer om fysiska parametrar vid spel.

T-simmaren

Medan man observerar larverna, laget märkte några simstilar som schistosomiasis larver använder i olika situationer, och som främst skiljer sig åt i den gafflade svansens läge. Av dem, en stod ut som unik. I denna stroke, larverna sticker ut svansen vinkelrätt från kroppen, som bokstaven T, vilket fick forskarna att dubba dem T-simmare.

Larverna byter till T-simning när de rör sig mot gravitationen, vilket de verkar göra för att vara nära vattenytan, där de mest sannolikt hittar en mänsklig värd. Höghastighetsvideo av levande larvsimning gjorde det möjligt för forskarna att på djupet undersöka hur denna nya simstil fungerar.

"Vi tillbringade otaliga timmar med att se hundratals av dessa parasiter simma - det är som en besatthet, "sa Yorgos Katsikis, en tidigare doktorand i Prakash Lab och medförfattare till denna studie. "Sedan utvecklade vi bildbehandlingsalgoritmer som skulle bearbeta dessa data automatiskt utan någon experimentell förspänning."

Dessa anpassade algoritmer avslöjade i detalj den exakta kinematiken för hur larverna böjer sin kropp och roterar huvudet, hur snabbt de rör sig och hur de accelererar och retarderar och stör den omgivande vätskan.

Skapa modeller

Parallellt med direkta observationer, forskarna utvecklade flera matematiska och robotiska modeller för hur en T-simmare kunde simma. De matematiska framställningarna ser ut som tre stavar, den ena representerar larvens gafflade svans och de andra två dess böjande svans och kropp. Robotarna var strukturerade på samma sätt och simmade genom majssirap, en 10, 000 gånger mer viskös motsvarighet till vattnet som larverna angriper, för att återskapa samma fysiska effekter.

Med dessa modeller, de kunde få modelllarverna att göra slag som involverade olika kombinationer av svansstyvhet och böjningsrörelse. De körde till och med flera robotar, var och en med små förändringar i svansens styvhet.

"I många fall, vi försöker replikera naturen i robotar. Det här var väldigt annorlunda, "sa Krishnamurthy." På det hela taget, det ser ut som om jag försöker göra en robot som simmar som en parasit, men sanningen är att det var raka motsatsen:jag byggde en robot för att faktiskt förstå hur den biologiska parasiten simmar. "

Vad dessa modeller och olika modifieringar avslöjade är larvernas verkliga simningsslag var verkligen den optimala versionen.

Prakash och Krishnamurthy har varit i Madagaskar för att samla infekterade sniglar och studera ekologin för denna parasit i öppet vatten i byar på landsbygden. De hoppas att deras arbete in och ut från labbet kommer att hjälpa dem att förstå hur dessa parasiter hittar människor och föra dem ett steg närmare en ekologisk lösning på denna utbredda sjukdom.