एक जैव-संकर मच्छर डंक आधारित परमाणु बल माइक्रोस्कोपी जांच का विकास
Summary
वेक्टर जनित रोगों से निपटने के लिए प्रभावी रणनीति तैयार करने के लिए कीट काटने के व्यवहार में मात्रात्मक और नियंत्रित जांच महत्वपूर्ण है। इस संदर्भ में, जैव-संकर परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) जांच बनाने के लिए एक विधि पेश की गई है।
Abstract
मच्छर, बीमारियों को प्रसारित करने की क्षमता के कारण मनुष्यों के लिए सबसे घातक जानवरों के रूप में कुख्यात, सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए लगातार चुनौती पैदा करते हैं। वर्तमान में उपयोग में आने वाली प्राथमिक रोकथाम रणनीति में रासायनिक रिपेलेंट्स शामिल हैं, जो अक्सर अप्रभावी साबित होते हैं क्योंकि मच्छर तेजी से प्रतिरोध विकसित करते हैं। नतीजतन, नए निवारक तरीकों का आविष्कार महत्वपूर्ण है। इस तरह का विकास मच्छर काटने के व्यवहार की पूरी तरह से समझ पर टिका है, एक प्रयोगात्मक सेटअप की आवश्यकता होती है जो नियंत्रणीय परीक्षण मापदंडों और मात्रात्मक माप के साथ वास्तविक काटने वाले परिदृश्यों को सटीक रूप से दोहराता है। इस अंतर को पाटने के लिए, एक जैव-हाइब्रिड परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) जांच को इंजीनियर किया गया था, जिसमें एक जैविक स्टिंगर – विशेष रूप से, एक मच्छर लैब्रम – इसकी नोक के रूप में था। मानक एएफएम सिस्टम के साथ संगत यह जैव-हाइब्रिड जांच, मच्छर प्रवेश व्यवहार के निकट-प्रामाणिक सिमुलेशन को सक्षम बनाता है। यह विधि काटने वाले तंत्र के मात्रात्मक अध्ययन में एक कदम आगे बढ़ाती है, संभावित रूप से वेक्टर-जनित रोगों (वीबीडी) के खिलाफ प्रभावी बाधाओं के निर्माण और मच्छर से फैलने वाली बीमारियों के खिलाफ लड़ाई में नए रास्ते खोलने के लिए अग्रणी है।
Introduction
विश्व स्वास्थ्य संगठन (WHO) ने बताया कि वेक्टर जनित रोग (VBDs) सभी संक्रामक रोगों का 17% से अधिक है, जो विश्व स्तर पर प्रति वर्ष 7,00,000 से अधिक मौतों का कारण बनता है। उदाहरण के लिए, दुनिया में सबसे घातक जानवर के रूप में, मच्छर रक्त-खिला आर्थ्रोपोड्स के माध्यम से डेंगू, मलेरिया और ज़िका जैसे कई रोगजनकों को फैलाते हैं, जिसके परिणामस्वरूपहर साल 700 मिलियन संक्रमण होते हैं। वीबीडी को रोकने के लिए प्रभावी उपायों के विकास की दिशा में अन्वेषण महत्वपूर्ण महत्व के हैं, जिसमें मच्छरों के प्रवेश व्यवहार की नकल करना शामिल है ताकि उनके काटने वाले तंत्र की जांच की जा सके और प्रवेश को रोकने में उनकी प्रभावकारिता साबित करने के लिए संभावित बाधाओं का अध्ययन किया जा सके। एक प्रमुख चुनौती इस तरह की जांच करने के लिए उचित दृष्टिकोण विकसित करना है। साहित्य में प्रयास किए गए हैं, जिसमें सूक्ष्म पैमाने पर सुइयों का विकास शामिल है जो मच्छर के डंक की ज्यामिति से मिलते जुलते हैं; हालांकि, इन माइक्रोनीडल्स (यानी, विस्कोलेस्टिक सामग्री2, सिलिकॉन (सी), ग्लास, सिरेमिक3, आदि) को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली कई सामग्रियों में मच्छर के सूंड की जैविक सामग्री की तुलना में अलग-अलग यांत्रिक गुण होते हैं। इंजीनियर सामग्री भंगुर और फ्रैक्चर और बकलिंग 3,4 के लिए प्रवण हो सकता है, जबकि मच्छर सूंड फ्रैक्चर या बकलिंग बेहतर4 का सामना कर सकते हैं. इंजीनियर सामग्री के बजाय मच्छर के लैब्रम का उपयोग करके जैव-संकर जांच होने का लाभ यह है कि यह मच्छरों के भेदी तंत्र का अधिक सटीक प्रतिनिधित्व हो सकता है। इसके अलावा, विशेष उपकरणों को मात्रात्मक अध्ययन करने के लिए सूक्ष्म सुइयों के साथ एकीकृत किया जाना चाहिए, जैसे कि बल5 का सटीक माप, जो इंजीनियर माइक्रोनीडल्स का उपयोग करके अनुकूलित सेटअप के साथ आसानी से प्राप्त नहीं होता है।
परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) आधारित दृष्टिकोण में आशाजनक है कि यह एक अल्ट्रा-फाइन टिप के साथ एक ब्रैकट को नियोजित करके संचालित होता है जो ध्यान से एक नमूना की सतह के करीब स्थित होता है। टिप या तो भर में स्कैन कर सकते हैं या की ओर/एक सतह में दबाया जा सकता है, एक नमूना6 के साथ अपनी बातचीत के कारण अलग-अलग आकर्षक या प्रतिकारक बलों का अनुभव कर रहा है। ये इंटरैक्शन ब्रैकट के विक्षेपण की ओर ले जाते हैं, जिसे कैंटिलीवर के शीर्ष से एक फोटोडेटेक्टर6 पर लेजर बीम के प्रतिबिंब द्वारा ट्रैक किया जाता है। प्रणाली के आंदोलन के लिए असाधारण संवेदनशीलता AFM माप, सहित लेकिन पिकोमीटर सटीकता के साथ रूपात्मक मानचित्रण तक सीमित नहीं है, सहित माप की एक विविध रेंज का संचालन करने के लिए सक्षम बनाता है, piconewtons से micronewtons के लिए लेकर बल माप, और व्यापक multiphysicsजांच 7. उदाहरण के लिए, एएफएम इंडेंटेशन एक नमूने के लागू बल की प्रतिक्रिया का आकलन करने के लिए और भी कठोरता, लोच, और उपयुक्त विश्लेषणात्मक मॉडल 8 के साथ युग्मन द्वारा एक नमूना के अन्य यांत्रिक गुणों को मापने के लिए किया जा सकताहै. AFM की जांच सबसे अधिक सिलिकॉन (Si) या सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4)8 से बनी होती है, जिसकी लंबाई 20-300 μm9 होती है और कई से दसियों नैनोमीटर10 के क्रम में एक टिप त्रिज्या होती है। नैनोमीटर स्केल टिप त्रिज्या उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हो सकता है; हालांकि, इसमें अध्ययन के लिए जैविक स्टिंगर्स की विशेषताएं नहीं हैं जो कठोरता, त्रिज्या, आकार और पहलू अनुपात के संदर्भ में प्रवेश व्यवहार की नकल करने की कोशिश करते हैं। उदाहरण के लिए, एक मच्छर की microneedle संरचना ~ 6011 (लंबाई ~ 1.5 मिमी से 2 मिमी; व्यास ~ 30 माइक्रोन)12का एक पहलू अनुपात है, जो fascicle है. जबकि एक पारंपरिक एएफएम जांच को एक लेब्रम की तरह एक जैविक स्टिंगर जैसा माना जा सकता है, इसके विशिष्ट भौतिक गुण और आयाम काटने के दौरान वास्तविक स्थिति को प्रतिबिंबित नहीं करेंगे।
स्टिंगर्स के साथ कीड़े या अन्य जानवरों के जैविक काटने की नकल करने वाले प्रवेश व्यवहार की मात्रात्मक जांच को सक्षम करने के लिए, यहां, जैविक स्टिंगर के साथ जैव-संकर एएफएम कैंटिलीवर बनाने की एक प्रक्रिया विकसित की गई है क्योंकि इसकी नोक विकसित की गई है। एक केस स्टडी के रूप में, एक मच्छर लैब्रम की नोक के साथ एक एएफएम ब्रैकट सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया गया था। विशिष्ट सम्मिलन बलों पर साहित्य से मौजूदा जानकारी का उपयोग करना जो एक मच्छर पीड़ित की त्वचा12,13 के माध्यम से छेदने के लिए उपयोग करता है, यह जैव-संकर एएफएम ब्रैकट संभावित रूप से एक नियमित एएफएम के तहत मच्छर के काटने की निकट-वास्तविक नकल की अनुमति दे सकता है। जैव-संकर एएफएम कैंटिलीवर बनाने के लिए सूक्ष्म जैविक स्टिंगर्स का लाभ उठाने का प्रोटोकॉल विभिन्न प्रकार के काटने वाले तंत्रों की मात्रात्मक जांच के लिए अन्य तेज स्टिंगर-आधारित बायोहाइब्रिड एएफएम कैंटिलीवर के विकास पर भी लागू किया जा सकता है।
शब्दावली
एक सूंड का एक योजनाबद्ध और ब्याज के अपने घटकों चित्रा 1 में दिखाया गया है, और उनकी परिभाषा कर रहे हैं (1) सूंड: एक मच्छर के मुंह से एक शरीर का हिस्सा है कि मच्छर खुद को खिलाने के लिए अनुमति देता है, एक कोर खोल संरचना के साथ प्रावरणी (कोर) और लेबियम (खोल), (2) लेबियम: एक सूंड के अंधेरे और कुंद बाहरी कवर2, (3) फासिकल: लेबियम के अंदर निहित पतली सुइयों का एक समूह, जिसमें दो मैक्सिला, दो मैंडिबल्स, एक हाइपोफरीनक्स और एक लैब्रम2 शामिल हैं, (4) हाइपोफरीनक्स: मेजबान के रक्तप्रवाह में लार को स्रावित करने के लिए जिम्मेदार2, (5) मैक्सिला: दाँतेदार सदस्य खिला तंत्र में सहायता करते हैं2, (5) मैंडिबल्स: मैक्सिला के समान, वे खिला तंत्र में मच्छर की मदद करते हैं और एक तेज टिप होती है2, (6) लैब्रम: पीड़ित की त्वचा को भेदने के लिए मुख्य सदस्य, जो मैक्सिला, मैंडिबल्स और हाइपोफरीनक्स से बहुत बड़ा होता है। इसमें संवेदी संरचनाएं भी हैं जो इसे त्वचा के नीचे रक्त वाहिकाओं और आंतरिक चैनलों को खोजने की अनुमति देती हैं2, (7) मैनिपुलेटर: स्थिति के लिए स्वतंत्रता और माइक्रोन-स्केल सटीकता की तीन डिग्री के साथ एक विधानसभा, एक्सवाईजेड दिशाओं में आंदोलन की अनुमति देता है, (8) क्लैंप असेंबली: प्रयोग के दौरान टिपलेस एएफएम ब्रैकट को जकड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले मैनिपुलेटर पर एक कस्टम-निर्मित 2-भाग क्लैंप लगाया जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल का चरण 1 अवांछित लेबियम के जैविक नमूने को साफ करने के लिए है। इसे प्राप्त करने के लिए, लेबियम पर एक चीरा लगाया जाता है, लेकिन प्रावरणी पर नहीं, जो सीधे लेबियम (चित्रा 1) के नीचे रहता है।…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक कनाडा के न्यू फ्रंटियर्स इन रिसर्च फंड (एनएफआरएफ), नेचुरल साइंसेज एंड इंजीनियरिंग रिसर्च काउंसिल ऑफ कनाडा (एनएसईआरसी) डिस्कवरी प्रोग्राम, और फोंड्स डी रीचर्चे डु क्यूबेक नेचर एट टेक्नोलॉजीज (एफआरक्यूएनटी) मास्टर ट्रेनिंग स्कॉलरशिप से फंडिंग सपोर्ट को स्वीकार करते हैं। लेखक कुछ घटकों की 3 डी प्रिंटिंग पर उनके तकनीकी समर्थन के लिए मैकगिल में प्रोफेसर याओयाओ झाओ के समूह को भी धन्यवाद देना चाहते हैं।
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) Width: 30 µm (22.5 – 37.5 µm) Thickness: 4 µm ( 3 – 5 µm) |
| UV Expoxy | Let's resin | ALR00146 | For stinger attachment. |
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