Développement d’une sonde de microscopie à force atomique basée sur un dard bio-hybride Mosquito Stinger

Summary

Des études quantitatives et contrôlées sur les comportements des insectes piqueurs sont cruciales pour concevoir des stratégies efficaces de lutte contre les maladies à transmission vectorielle. Dans ce contexte, une méthode de fabrication d’une sonde de microscopie à force atomique (AFM) bio-hybride est introduite.

Abstract

Les moustiques, connus pour être les animaux les plus meurtriers pour l’homme en raison de leur capacité à transmettre des maladies, posent un défi persistant à la santé publique. La stratégie de prévention primaire actuellement utilisée implique des répulsifs chimiques, qui s’avèrent souvent inefficaces car les moustiques développent rapidement une résistance. Par conséquent, l’invention de nouvelles méthodes préventives est cruciale. Un tel développement repose sur une compréhension approfondie des comportements de piqûre de moustique, ce qui nécessite une configuration expérimentale qui reproduit avec précision des scénarios de piqûre réels avec des paramètres de test contrôlables et des mesures quantitatives. Pour combler cette lacune, une sonde de microscopie à force atomique (AFM) bio-hybride a été conçue, avec un dard biologique – plus précisément, un labrum de moustique – comme pointe. Cette sonde bio-hybride, compatible avec les systèmes AFM standard, permet une simulation quasi authentique des comportements de pénétration des moustiques. Cette méthode marque une avancée dans l’étude quantitative des mécanismes de piqûre, conduisant potentiellement à la création de barrières efficaces contre les maladies à transmission vectorielle (MTV) et ouvrant de nouvelles voies dans la lutte contre les maladies transmises par les moustiques.

Introduction

L’Organisation mondiale de la santé (OMS) a indiqué que les maladies à transmission vectorielle (MTV) représentent plus de 17 % de toutes les maladies infectieuses, qui causent plus de 7 000 000 décès par an dans le monde. Par exemple, en tant qu’animal le plus mortel au monde, les moustiques propagent de nombreux agents pathogènes, tels que la dengue, le paludisme et le Zika, par l’intermédiaire d’arthropodes hématophages, entraînant 700 millions d’infections chaque année¹. Les explorations vers le développement de mesures efficaces pour prévenir les VBD sont d’une importance cruciale, y compris l’imitation des comportements de pénétration des moustiques pour étudier leurs mécanismes de piqûre et l’étude des barrières potentielles pour prouver leur efficacité dans la prévention de la pénétration. L’un des principaux défis consiste à élaborer des approches appropriées pour mener de telles enquêtes. Des efforts ont été faits dans la littérature, notamment la mise au point d’aiguilles à micro-échelle qui ressemblent à la géométrie d’un dard de moustique ; Cependant, de nombreux matériaux utilisés pour fabriquer ces micro-aiguilles (c’est-à-dire les matériaux viscoélastiques², le silicium (Si), le verre, la céramique³, etc.) ont des propriétés mécaniques différentes de la matière biologique de la trompe du moustique. Les matériaux d’ingénierie peuvent être cassants et sujets à la fracture et au flambage ^3,4, tandis que la trompe du moustique peut mieux résister à la fracture ou au flambage⁴. L’avantage d’avoir une sonde bio-hybride utilisant le labrum d’un moustique au lieu de matériaux d’ingénierie est qu’elle peut être une représentation plus précise du mécanisme de perçage des moustiques. De plus, des outils spécialisés doivent être intégrés avec des micro-aiguilles pour effectuer des études quantitatives, telles que la mesure précise de la force⁵, ce qui n’est pas facilement réalisable avec des configurations personnalisées utilisant des micro-aiguilles modifiées.

L’approche basée sur la microscopie à force atomique (AFM) est prometteuse en ce sens qu’elle fonctionne en utilisant un porte-à-faux avec une pointe ultra-fine qui est soigneusement positionnée près de la surface d’un échantillon. La pointe peut soit balayer ou être pressée vers/vers une surface, subissant des forces d’attraction ou de répulsion variables en raison de ses interactions avec un échantillon⁶. Ces interactions conduisent à la déviation du porte-à-faux, qui est suivie par la réflexion d’un faisceau laser du haut du porte-à-faux sur un photodétecteur⁶. La sensibilité exceptionnelle au mouvement du système permet à AFM d’effectuer une gamme variée de mesures, y compris, mais sans s’y limiter, la cartographie morphologique avec une précision du picomètre, les mesures de force allant du piconewton au micronewton, et des études multiphysiques complètes⁷. Par exemple, des indentations AFM peuvent être effectuées pour évaluer avec précision la réponse à la force appliquée d’un échantillon et également pour mesurer la dureté, l’élasticité et d’autres propriétés mécaniques d’un échantillon en les couplant à des modèles analytiques appropriés⁸. La sonde de l’AFM est le plus souvent en silicium (Si) ou en nitrure de silicium (Si₃, N_{, 4})⁸ , d’une longueur de 20 à 300 μm⁹ et d’un rayon de pointe de l’ordre de plusieurs à quelques dizaines de nanomètres¹⁰. Le rayon de pointe à l’échelle nanométrique peut être idéal pour des applications telles que l’imagerie haute résolution ; Cependant, il ne possède pas les caractéristiques des dards biologiques pour les études qui tentent d’imiter les comportements de pénétration en termes de rigidité, de rayon, de forme et de rapport d’aspect. Par exemple, la structure de la micro-aiguille d’un moustique est le fascicule, qui a un rapport d’aspect de ~60¹¹ (longueur ~1,5 mm à 2 mm ; diamètre ~30 μm)¹². Bien que l’on puisse supposer qu’une sonde AFM conventionnelle ressemble à un dard biologique comme un labrum, ses propriétés et ses dimensions distinctes ne reflètent pas la situation réelle lors d’une morsure.

Pour permettre des études quantitatives des comportements de pénétration imitant les morsures biologiques d’insectes ou d’autres animaux avec des dards, ici, un processus de fabrication de cantilevers AFM bio-hybrides avec un dard biologique comme pointe est développé. À titre d’étude de cas, un cantilever AFM avec l’extrémité d’un labrum de moustique attaché a été démontré avec succès. En exploitant les informations existantes de la littérature sur les forces d’insertion typiques qu’un moustique utilise pour percer la peau d’une victime^12,13, ce cantilever bio-hybride de la MFA peut potentiellement permettre un mimétisme presque réel des piqûres de moustiques dans le cadre d’une MFA régulière. Le protocole d’exploitation des dards microbiologiques pour fabriquer des cantilevers AFM bio-hybrides peut également être appliqué au développement d’autres cantilevers AFM biohybrides à base de dards tranchants pour des études quantitatives d’une variété de mécanismes de morsure.

Terminologies
Un schéma d’une trompe et de ses composants d’intérêt est présenté à la figure 1, et leurs définitions sont les suivantes : (1) Trompe : une partie du corps de la bouche d’un moustique qui permet au moustique de se nourrir, avec une structure noyau-coquille composée du fascicule (noyau) et du labium (coquille), (2) Labium : la couverture externe sombre et émoussée d’un proboscis², (3) Fascicule : un groupe d’aiguilles minces contenues à l’intérieur du labium, y compris deux maxillaires, deux mandibules, un hypopharynx et un labrum², (4) Hypopharynx : responsable de la sécrétion de salive dans la circulation sanguine de l’hôte², (5) Maxillaire : membre dentelé aidant au mécanisme d’alimentation², (5) Mandibules : semblables au maxillaire, ils aident le moustique dans le mécanisme d’alimentation et ont une pointe pointue², (6) Labrum : le principal membre pour pénétrer la peau d’une victime, qui est beaucoup plus grand que les maxillaires, les mandibules et l’hypopharynx. Il possède également des structures sensorielles qui lui permettent de trouver des vaisseaux sanguins et des canaux internes sous la peau², (7) Manipulateur : un ensemble avec trois degrés de liberté et une précision à l’échelle du micron pour le positionnement, permettant un mouvement dans les directions XYZ, (8) Ensemble de pince : une pince en 2 parties sur mesure montée sur le manipulateur utilisé pour serrer le porte-à-faux AFM sans pointe pendant l’expérience.

Protocol

L’espèce de moustique utilisée pour ce protocole est une femelle adulte non infectée Aedes aegypti (A. aegypti), congelée et conservée dans un congélateur à -20 °C. L’espèce a été fournie par le NIH/NIAID Filariasis Research Reagent Resource Center pour distribution par BEI Resources, NIAID, NIH : Uninfected Aedes aegypti, Strain Black Eye Liverpool (Frozen), NR-48920. Les réactifs et l’équipement utilisés pour l’étude sont énumérés dans la table des matériaux…

Representative Results

Des images de microscopie électronique à balayage (MEB) de la sonde AFM bio-hybride fabriquée se trouvent à la figure 7. L’extrémité du labrum a été collée avec succès à la poutre en porte-à-faux sans pointe. En raison de la courbure naturelle des dards de moustiques et du fonctionnement manuel du protocole présenté, il est extrêmement difficile d’obtenir un cantilever avec une pointe de dard parfaitement perpendiculaire au cantilever. L’angle décentré entre le dard et…

Discussion

L’étape 1 du protocole vise à nettoyer l’échantillon biologique du labium indésirable. Pour ce faire, une incision est pratiquée sur le labium, mais pas sur le fascicule, qui repose directement sous le labium (Figure 1). Parce que le faisceau et le labium ne sont pas joints à leur interface (c’est-à-dire que le labium est libre de glisser le long du fascicule et n’est maintenu en place que par sa fixation à la tête du moustique), l’incision réalisée est destinée à sép…

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.