القراد غشاء اصطناعي التغذية ل Ixodes كتفي
Summary
تظهر هنا طريقة لتغذية القراد في الدم في المختبر عبر نظام غشاء اصطناعي للسماح باحتقان جزئي أو كامل لمجموعة متنوعة من مراحل حياة القراد.
Abstract
القراد والأمراض المرتبطة بها هي موضوع مهم للدراسة بسبب الصحة العامة والعبء البيطري. ومع ذلك ، فإن متطلبات تغذية القراد أثناء الدراسة والتربية يمكن أن تحد من الأسئلة التجريبية أو قدرة المختبرات على البحث عن القراد ومسببات الأمراض المرتبطة به. يمكن لنظام التغذية بالغشاء الاصطناعي أن يقلل من هذه المشاكل ويفتح طرقا جديدة للبحث ربما لم تكن ممكنة مع أنظمة تغذية الحيوانات التقليدية. تصف هذه الدراسة نظام تغذية الغشاء الاصطناعي الذي تم تحسينه للتغذية ونجاح الاحتقان لجميع مراحل حياة Ixodes scapularis . علاوة على ذلك ، يمكن تعديل نظام تغذية الغشاء الاصطناعي الموصوف في هذه الدراسة للاستخدام مع أنواع القراد الأخرى من خلال التحسين البسيط لسمك الغشاء المطلوب. يتم موازنة فوائد نظام التغذية بالغشاء الاصطناعي من خلال كثافة اليد العاملة للنظام ، والعوامل البيئية الإضافية التي قد تؤثر على نجاح التغذية ، والحاجة إلى تحسين التقنية لكل نوع جديد ومرحلة حياة القراد.
Introduction
تؤثر الأمراض المنقولة بالقراد بشدة على صحة البشر والحيوانات في جميع أنحاء العالم ، كونها مسؤولة عن أكثر من ثلثي جميع الأمراض المرتبطة بالنواقل في الولايات المتحدة الأمريكية من 2004 إلى 20161. بالإضافة إلى ذلك ، تزايدت أعداد الحالات في السنوات الأخيرة ، مع تأثر المزيد من الناس والماشية بالقراد والأمراض المرتبطة به 2,3. في حين أن هناك العديد من الأسباب المحتملة للاتجاه التصاعدي في أعداد الحالات ، فإن المناخ المتغير هو عامل مهم 3,4. تؤكد الزيادة المستمرة المتوقعة في عدد حالات الأمراض المنقولة بالقراد على الحاجة إلى تطوير أدوات جديدة للتحقيق في العلاقات بين القراد ومسببات الأمراض التي تنقلها.
من المعروف أن القراد يخضع لتغيرات في علم وظائف الأعضاء والتعبير الجيني أثناء التغذية وأن هذه التغييرات تلعب دورا في انتقال مسببات الأمراض 5,6. قد يكون من الصعب إجراء دراسات تدرس آثار التغذية الكاملة والجزئية على انتقال مسببات الأمراض واكتسابها باستخدام النماذج الحيوانية ، لا سيما في الحالات التي لا تكون فيها نماذج القوارض عرضة للإصابة بممرض معين. على سبيل المثال ، تنتقل سلالة Anaplasma phagocytophilum Variant-1 بشكل طبيعي بين Ixodes scapularis والغزلان ولكنها غير قادرة على إصابة الفئران ، مما يعقد عدوى القراد في المختبر7. يمكن أيضا تطبيق أنظمة التغذية الاصطناعية للمساعدة في دراسة مسببات الأمراض مثل Borrelia burgdorferi عن طريق استخدام الطفرات المعدلة وراثيا التي لها حذف جيني يمنع الانتقال أو العدوى8. يساعد استخدام نظام التغذية الاصطناعي الباحثين على عزل دور الجينات عن طريق السماح للعدوى أو الانتقال بالحدوث فقط على جانب القراد ، وبالتالي عزل أي استجابة مضيفة قد تربك مثل هذه الدراسات.
وبالمثل ، قد لا يتم حث بعض مراحل حياة القراد المتورط في المرض وانتقال الحيوانات على التغذية على الأنواع النموذجية المختبرية الشائعة. على سبيل المثال ، يجب تغذية إناث Ixodes scapularis على الحيوانات الكبيرة ، وعادة ما تكون الأرانب9. في حين أنه غالبا ما يمكن الوصول إليها للتجارب المعملية ، فإن المتطلبات الإدارية وتربية الأرانب تتجاوز متطلبات القوارض الصغيرة وقد تكون باهظة بالنسبة لبعض المختبرات. يجب تغذية أنواع القراد الأخرى ، وخاصة تلك ذات الاهتمام البيطري ، على الماشية أو غيرها من الحيوانات الكبيرة التي لا يمكن استخدامها عمليا في معظم المختبرات. توفر طرق التغذية والعدوى في المختبر ، مثل التغذية بالغشاء الاصطناعي ، بدائل لاستخدام الحيوانات المضيفة الكبيرة أو الغريبة.
بالإضافة إلى ذلك ، يسمح استخدام نظام التغذية الاصطناعية ببعض التحليلات التي قد لا تكون ممكنة باستخدام طرق تغذية الحيوانات التقليدية. أحد الأمثلة على ذلك هو أنه من خلال فصل مصدر الدم عن آلية التغذية ، يصبح فحص الدور الذي قد يلعبه دم المضيفين المختلفين في انتقال B. burgdorferi ممكنا10. يعد هذا الفحص لدم المضيف والدور الذي يلعبه الدم نفسه في غياب الاستجابة المناعية للمضيف عاملا مهما في القدرة على فهم دورات انتقال مسببات الأمراض وعاملا يمكن أن تساعد أنظمة التغذية الاصطناعية في الإجابةعن السؤال 11. يصبح من الممكن أيضا تحديد أرقام الانتقال الدقيقة لممرض أثناء التغذية بدلا من مجرد فحص نجاح الإرسال وتأسيسه في مضيف 8,12.
بعض من أول أغشية التغذية الاصطناعية المصنوعة للقراد الصلب كانت مصنوعة من جلود الحيوانات أو الأغشية المشتقة من الحيوانات في 1950s و 1960s13،14. بسبب الطبيعة البيولوجية لهذه الأغشية ، كانت هناك مشاكل في كل من إنتاج أغشية جديدة ومدة الصلاحية. في 1990s ، تم تطوير الأغشية الاصطناعية بالكامل التي تستخدم دعم المعاوضة أو الورق أو النسيج مع تشريب السيليكون15,16. كان السيليكون مثاليا لأن خصائصه الفيزيائية تحاكي تمدد البشرة ولطفها الطفيف ، إلى جانب طبيعتها الحيوية. بناء على ذلك ، وصف كروبر وغيرين ، اللذان استندت هذه التقنية إلى عملهما ، تقنية تغذية غشاء الرايون المشبع بالسيليكون للتغذية الاصطناعية ل I. ricinus17.
أدى تحسين طرق I. scapularis ، وهو نوع وثيق الصلة ، إلى اختلافات ملحوظة في صلابة السيليكون المستخدمة في التشريب الغشائي ، وصفة إنتاج الغشاء ، وأبعاد الغرفة ، ومنشط المرفق. في حين أن التحسينات التي تم الإبلاغ عنها في هذه الدراسة قد أسفرت عن خصائص غشاء مماثلة لتلك التي أبلغ عنها Andrade et al. ، الذي طور أيضا غشاءا قائما على السيليكون يعتمد على Krober و Guerin للاستخدام في I. scapularis ، هناك اختلاف في خطوات تشريب السيليكون ، مما يسمح بالمرونة في استخدام هذا البروتوكول لمراحل الحياة غير الناضجة ل I. scapularis 15 ، 18. تصف هذه الدراسة أيضا الإضافات والتعديلات الفنية بناء على الاستخدام المتكرر لهذه الطريقة ، وأفضل الممارسات التي تؤدي إلى تغذية ناجحة ، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها للمشاكل التي قد تنشأ. تم استخدام هذه الطريقة لإطعام جميع مراحل الحياة النشطة ، وإصابة القراد بالبكتيريا المسببة للأمراض ، وتعريض القراد لجرعات متعددة من المضادات الحيوية19,20. في حين أن طريقة تغذية الغشاء الاصطناعي الموضحة هي ل I. scapularis ، فإن هذه الطريقة قابلة للتكيف بسهولة مع الأنواع الأخرى من القراد مع تعديلات طفيفة في سمك الغشاء.
Protocol
Representative Results
Discussion
توفر التغذية بالأغشية الاصطناعية للقراد أداة مفيدة لمجموعة متنوعة من الإجراءات التجريبية ، ولكن من غير المحتمل أن تحل محل تغذية الحيوانات لجميع التطبيقات. الحفاظ على مستعمرات كبيرة من القراد في جميع مراحل الحياة دون تغذية الحيوانات أمر لا يمكن الدفاع عنه بشكل عام. بدلا من ذلك ، يعد نظام ا…
Materials
| 00-10 Hardness Silicone | Smooth-On | Ecoflex 00-10 | Trial size from Smooth-On Store |
| 00-50 Hardness Silicone | Smooth-On | Ecoflex 00-50 | Trial size from Smooth-On Store |
| 30 Hardness Silicone | Smooth-On | Mold Star 30 | Trial size from Smooth-On Store |
| 6-well cell culture plates | Corning Incorporated | 3516 | |
| Adenosine triphosphate (ATP) | Millipore Sigma | A1852-1VL | Used to make an aqueous solution of 3 mM ATP that has been filter sterlized via 0.2 micometer filter |
| Bovine blood | HemoStat | DBB500 | Mechanically defibrinated; 500 mL is usually sufficient for one experiment |
| Clingwrap | Fisherbrand | 22-305654 | |
| Filter Paper | Fisherbrand | 09-790-2C | Autoclave and let cool before using. Can use Fine quality instead of medium too |
| Fluon (aqueous polytetrafluoroethylene) | Bioquip | 2871 | Available from other sources such as https://canada-ant-colony.com/products/fluon-ptfe-10ml |
| Glucose | Millipore Sigma | G8270-100G | |
| Hexane | Millipore Sigma | 139386-100ML | |
| Lens paper | Fisherbrand | 11-995 | 100% rayon |
| Nystatin | Gold Biotechnology | N-750-10 | |
| Parafilm | Fisherbrand | S37440 | |
| Penicillin/streptomycin/fungizone | Gibco | 15240-096 | Or equivalent generic with concentration as follows (10,000 units/mL of penicillin, 10,000 µg/mL of streptomycin, and 25 µg/mL of Amphotericin B) |
| Phagostimulant | Made in House | Collected from prior tick feeds | |
| Polycarbonate Pipe | McMaster-Carr | 8585K204 | Cut to 45 mm length, 1.25 inch outer diameter, 1 inch inner diameter. Cutting requires a chop saw grinding wheel. |
| Rubber O-rings | McMaster-Carr | 9452K38 | 5 mm thick, 1.25 inch inner diameter |
| Soft touch forceps | VWR | 470315-238 | |
| Super glue | cyanoacrylate glue | ||
| Unryu paper | Art supply stores | mulberry fiber 10 g/m2. Purchased at Wet Paint art supply store, St. Paul, MN, USA |
References
- Rosenberg, R., et al. Vital signs: trends in reported vectorborne disease cases – United States and territories, 2004-2016. Morbidity and Mortality Weekly Report. 67 (17), 496-501 (2018).
- Busch, J. D., et al. Widespread movement of invasive cattle fever ticks (Rhipicephalus microplus) in southern Texas leads to shared local infestations on cattle and deer. Parasites & Vectors. 7, 188 (2014).
- Süss, J., Klaus, C., Gerstengarbe, F. W., Werner, P. C. What makes ticks tick? Climate change, ticks, and tick-borne diseases. Journal of Travel Medicine. 15 (1), 39-45 (2008).
- Gray, J. S., Dautel, H., Estrada-Peña, A., Kahl, O., Lindgren, E. Effects of climate change on ticks and tick-borne diseases in Europe. Interdisciplinary Perspectives on Infectious Diseases. 2009, 593232 (2009).
- Sonenshine, D. E. . Biology of Ticks. , (1991).
- Schwan, T. G., Piesman, J., Golde, W. T., Dolan, M. C., Rosa, P. A. Induction of an outer surface protein on Borrelia burgdorferi during tick feeding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 92 (7), 2909-2913 (1995).
- Massung, R. F., Priestley, R. A., Miller, N. J., Mather, T. N., Levin, M. L. Inability of a variant strain of Anaplasma phagocytophilum to infect mice. The Journal of Infectious Diseases. 188 (11), 1757-1763 (2003).
- Koci, J., Bernard, Q., Yang, X., Pal, U. Borrelia burgdorferi surface protein Lmp1 facilitates pathogen dissemination through ticks as studied by an artificial membrane feeding system. Scientific Reports. 8 (1), 1910 (2018).
- Levin, M. L., Schumacher, L. B. M. Manual for maintenance of multi-host ixodid ticks in the laboratory. Experimental and Applied Acarology. 70 (3), 343-367 (2016).
- Hart, T., Yang, X., Pal, U., Lin, Y. P. Identification of Lyme borreliae proteins promoting vertebrate host blood-specific spirochete survival in Ixodes scapularis nymphs using artificial feeding chambers. Ticks and Tick-Borne Diseases. 9 (5), 1057-1063 (2018).
- Hart, T. M., et al. Host tropism determination by convergent evolution of immunological evasion in the Lyme disease system. PLoS Pathogens. 17 (7), (2021).
- Bernard, Q., et al. Plasticity in early immune evasion strategies of a bacterial pathogen. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (16), 3788-3797 (2018).
- Pierce, A. E., Pierce, M. H. A note on the cultivation of Boophilus microplus (Canestrini, 1887) (Ixodidae: Acarina) on the embyonated hen egg. Australian Veterinary Journal. 32 (6), 144-146 (1956).
- Doube, B. M., Kemp, D. H. The influence of temperature, relative humidity and host factors on the attachment and survival of Boophilus microplus (Canestrini) larvae to skin slices. International Journal for Parasitology. 9 (5), 449-454 (1979).
- Kröber, T., Guerin, P. M. An in vitro feeding assay to test acaricides for control of hard ticks. Pest Management Science. 63 (1), 17-22 (2007).
- Kuhnert, F., Diehl, P. A., Guerin, P. M. The life-cycle of the bont tick Amblyomma hebraeum in vitro. International Journal for Parasitology. 25 (8), 887-896 (1995).
- Kröber, T., Guerin, P. M. In vitro feeding assays for hard ticks. Trends in Parasitology. 23 (9), 445-449 (2007).
- Andrade, J. J., Xu, G., Rich, S. M. A silicone membrane for in vitro feeding of Ixodes scapularis (Ixodida: Ixodidae). Journal of Medical Entomology. 51 (4), 878-879 (2014).
- Oliver, J. D., et al. Infection of immature Ixodes scapularis (Acari: Ixodidae) by membrane feeding. Journal of Medical Entomology. 53 (2), 409-415 (2016).
- Oliver, J. D., et al. Growth dynamics and antibiotic elimination of symbiotic Rickettsia buchneri in the tick Ixodes scapularis (Acari: Ixodidae). Applied and Environmental Microbiology. 87 (3), (2021).
- Graham, E. E., Poland, T. M. Efficacy of Fluon conditioning for capturing cerambycid beetles in different trap designs and persistence on panel traps over time. Journal of Economic Entomology. 105 (2), 395-401 (2012).
- Munderloh, U. G., Liu, Y., Wang, M., Chen, C., Kurtti, T. J. Establishment, maintenance and description of cell lines from the tick Ixodes scapularis. Journal of Parasitology. 80 (4), 533-543 (1994).
- Lehane, A., et al. Prevalence of single and coinfections of human pathogens in Ixodes ticks from five geographical regions in the United States, 2013-2019. Ticks and Tick-Borne Diseases. 12 (2), (2021).
- González, J., Bickerton, M., Toledo, A. Applications of artificial membrane feeding for ixodid ticks. Acta Tropica. 215, (2021).
- Król, N., et al. Evaluating transmission paths for three different Bartonella spp. in Ixodes ricinus ticks using artificial feeding. Microorganisms. 9 (5), 901 (2021).
- Anderson, J. F., Magnarelli, L. A. Biology of ticks. Infectious Disease Clinics of North America. 22 (2), 195-215 (2008).
