Bio-Hybrid Mosquito Stinger-Based Atomic Force Microscopy Probe 개발
Summary
곤충에 물리는 행동에 대한 정량적 및 통제된 조사는 매개체 매개 질병과 싸우기 위한 효과적인 전략을 고안하는 데 중요합니다. 이러한 맥락에서 바이오 하이브리드 원자력 현미경(AFM) 프로브를 제작하는 방법이 소개됩니다.
Abstract
질병을 전염시키는 능력으로 인해 인간에게 가장 치명적인 동물로 악명 높은 모기는 공중 보건에 지속적인 도전을 제기합니다. 현재 사용되고 있는 주요 예방 전략은 화학 퇴치제와 관련이 있는데, 이는 모기가 빠르게 내성을 갖게 됨에 따라 효과가 없는 것으로 판명되는 경우가 많습니다. 따라서 새로운 예방 방법의 발명이 중요합니다. 이러한 개발은 모기에 물리는 행동에 대한 철저한 이해에 달려 있으며, 제어 가능한 테스트 매개변수와 정량적 측정을 통해 실제 무는 시나리오를 정확하게 복제하는 실험 설정이 필요합니다. 이 간극을 메우기 위해 생체 하이브리드 원자력 현미경(AFM) 프로브가 설계되었으며, 이 프로브의 끝에는 생물학적 침, 특히 모기 소음순이 있습니다. 표준 AFM 시스템과 호환되는 이 바이오 하이브리드 프로브는 모기 침투 행동에 대한 거의 실제적인 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 이 방법은 무는 메커니즘에 대한 정량적 연구에서 한 걸음 더 나아간 것으로, 잠재적으로 매개체 매개 질병(VBD)에 대한 효과적인 장벽을 만들고 모기 매개 질병과의 싸움에서 새로운 길을 열 수 있습니다.
Introduction
세계보건기구(WHO)는 매개체 매개 질병(VBD)이 모든 전염병의 17% 이상을 차지하며, 전 세계적으로 매년 7,00,000명 이상의 사망을 초래한다고 보고했습니다. 예를 들어, 세계에서 가장 치명적인 동물인 모기는 뎅기열, 말라리아, 지카 바이러스와 같은 수많은 병원체를 혈액을 먹는 절지동물을 통해 퍼뜨려 매년 7억 건의 감염을 일으킵니다1. VBD를 예방하기 위한 효과적인 조치를 개발하기 위한 탐색은 매우 중요하며, 여기에는 모기의 침투 행동을 모방하여 무는 메커니즘을 조사하고 침투 방지 효과를 입증하기 위한 잠재적 장벽에 대한 연구를 포함합니다. 한 가지 주요 과제는 이러한 조사를 수행하기 위한 적절한 접근 방식을 개발하는 것입니다. 모기 침의 기하학을 닮은 마이크로 스케일 바늘의 개발을 포함하여 문헌에 대한 노력이 이루어졌습니다. 그러나 이러한 미세 바늘을 만드는 데 사용되는 많은 재료(즉, 점탄성 재료2, 실리콘(Si), 유리, 세라믹3 등)은 모기의 주둥이의 생물학적 재료와 다른 기계적 특성을 가지고 있습니다. 공학적 재료는 부서지기 쉽고 파괴 및 좌굴이 발생하기 쉬우며3,4 모기의 주둥이는 파괴 또는 좌굴을 더 잘 견딜 수 있습니다4. 공학적 재료 대신 모기의 소음순을 사용하는 바이오 하이브리드 프로브의 이점은 모기의 관통 메커니즘을 보다 정확하게 표현할 수 있다는 것입니다. 또한 force5의 정확한 측정과 같은 정량적 연구를 수행하기 위해 특수 도구를 마이크로 니들과 통합해야 하며, 이는 엔지니어링된 마이크로니들을 사용하는 맞춤형 설정으로는 쉽게 달성할 수 없습니다.
원자력 현미경(AFM) 기반 접근 방식은 초미세 팁이 있는 캔틸레버를 사용하여 샘플 표면 가까이에 조심스럽게 배치한다는 점에서 유망합니다. 팁은 표면을 가로질러 스캔하거나 표면 쪽으로/밀어낼 수 있으며, 샘플6과의 상호 작용으로 인해 다양한 인력 또는 반발력을 경험할 수 있습니다. 이러한 상호 작용은 캔틸레버의 편향으로 이어지며, 이는 캔틸레버의 상단에서 광검출기(6)로 레이저 빔이 반사됨으로써 추적됩니다. 시스템의 움직임에 대한 탁월한 민감성을 통해 AFM은 피코미터 정확도를 사용한 형태학적 매핑, 피코네톤에서 마이크로뉴턴에 이르는 힘 측정, 포괄적인 다중물리학 조사를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 측정을 수행할 수 있습니다7. 예를 들어, AFM 압흔을 수행하여 샘플에 가해진 힘에 대한 반응을 정확하게 평가하고 적절한 분석 모델8과 결합하여 샘플의 경도, 탄성 및 기타 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. AFM의 프로브는 가장 일반적으로 실리콘 (Si) 또는 실리콘 질화물 (Si3N4) 8 로 만들어지며, 길이는 20-300 μm9 이고 팁 반경은 수 내지 수십 나노 미터(10) 정도입니다. 나노미터 스케일 팁 반경은 고해상도 이미징과 같은 응용 분야에 이상적일 수 있습니다. 그러나 강성, 반경, 모양 및 종횡비 측면에서 침투 행동을 모방하려는 연구를 위한 생물학적 침의 특성을 가지고 있지 않습니다. 예를 들어, 모기의 미세바늘 구조는 종횡비가 ~6011 (길이 ~1.5mm에서 2mm, 지름 ~30μm)12인 근막입니다. 기존의 AFM 프로브는 소음순과 같은 생물학적 침과 유사하다고 가정할 수 있지만, 그 고유한 재료 특성과 치수는 교합 중 실제 상황을 반영하지 않습니다.
곤충이나 다른 동물이 침을 쏘는 생물학적 물림을 모방하는 침투 행동에 대한 정량적 연구를 가능하게 하기 위해 여기에서는 팁에 생물학적 침을 사용하여 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버를 제작하는 공정을 개발했습니다. 사례 연구로, 모기 관절와순의 끝이 부착된 AFM 캔틸레버가 성공적으로 시연되었습니다. 모기가 희생자의 피부를 뚫기 위해 사용하는 전형적인 삽입력에 대한 문헌의 기존 정보를 활용하는 이 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버는 잠재적으로 일반 AFM에서 모기에 물린 상처를 거의 실제와 같은 모방을 가능하게 할 수 있습니다. 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버를 제작하기 위해 마이크로 생물학적 스팅어를 활용하는 프로토콜은 다양한 무는 메커니즘의 정량적 조사를 위한 다른 날카로운 스팅어 기반 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버의 개발에도 적용될 수 있습니다.
용어
주둥이와 그 관심 구성 요소의 개략도는 그림 1에 나와 있으며, 그 정의는 (1) 주둥이: 모기의 입에서 모기가 스스로 먹이를 먹을 수 있도록 하는 신체 부위로, 근막(핵심)과 소음순(껍질)으로 구성된 코어 껍질 구조를 가지고 있으며, (2) 소음순: 주둥이의 어둡고 뭉툭한 외부 덮개2, (3) 근막: 소음순 내부에 들어있는 가느다란 바늘 그룹으로, 2개의 상악골, 2개의 하악골, 1개의 하인두, 1개의 관절와순2, (4) 하인두: 숙주의혈류로 타액을 분비하는 역할을 하는 2, (5) 상악골: 섭식 메커니즘을 돕는 톱니 모양의 부재2, (5) 하악골: 상악골과 유사하며, 모기의 섭식 메커니즘을 돕고 끝이 뾰족합니다2, (6) 관절와순 : 상악골, 하악골 및 하인두보다 훨씬 큰 희생자의 피부를 관통하는 주요 부재. 또한 피부 아래의 혈관과 내부 채널을 찾을 수 있는 감각 구조를 가지고 있습니다2, (7) 매니퓰레이터: 위치 지정을 위한 3자유도 및 미크론 단위의 정확도를 가진 어셈블리로 XYZ 방향으로 이동할 수 있습니다. (8) 클램프 어셈블리: 실험 중 팁이 없는 AFM 캔틸레버를 클램핑하는 데 사용되는 매니퓰레이터에 장착된 맞춤형 2파트 클램프입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜의 1단계는 원치 않는 소음순의 생물학적 샘플을 청소하기 위한 것입니다. 이를 위해 소음순을 절개하지만 소음순 바로 아래에 있는 근막은 절개하지 않습니다(그림 1). 근막과 소음순이 경계면에서 서로 결합되어 있지 않기 때문에(즉, 소음순은 근막을 따라 자유롭게 미끄러질 수 있고 모기 머리에 부착되어야만 제자리에 유지됨) 수행된 절개는 소음순의 일부를 모…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자들은 캐나다의 NFRF(New Frontiers in Research Fund), NSERC(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Discovery 프로그램 및 FRQNT(Fonds de Recherche du Québec Nature et Technologies) 석사 교육 장학금의 자금 지원을 인정합니다. 저자들은 또한 일부 구성 요소의 3D 프린팅에 대한 기술 지원을 제공한 McGill의 Yaoyao Zhao 교수 그룹에 감사를 표하고 싶습니다.
Materials
| 5-SA-SE Straight Tapered Ultra Fine-Pointed Tweezers | Excelta | N/A | For manipulating/dissecting the proboscis. |
| C-4D Probe station | Everbeing Int’l Corp | N/A | Used for AFM assembly. |
| Tipless Tapping Mode Cantilever | NanoAndMore USA | TL-NCH | AFM cantilever used for mounting the labrum. Specs are shown here: Shape: Beam Force Constant: 42 N/m (10 – 130 N/m) Resonance Frequency: 330 kHz (204 – 497 kHz) Length: 125 µm (115 – 135 µm) Breite: 30 µm (22.5 – 37.5 µm) Thickness: 4 µm ( 3 – 5 µm) |
| UV Expoxy | Let's resin | ALR00146 | For stinger attachment. |
Referenzen
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