برای چندین سال Manu Prakash، استادیار مهندسی زیستی، به سایت‌های میدانی رفته است تا میکروسکوپ‌های جدید و ارزان قیمت را به عنوان ابزاری برای تشخیص بیماری انگلی شیستوزومیازیس آزمایش کند. دستگاه‌ها نویدبخش بودند، اما پراکاش از اینکه چند وقت یک‌بار بچه‌هایی که برای این بیماری درمان می‌شدند دوباره آلوده می‌شدند، متحیر بود. پراکاش به سرعت توجه خود را به جلوگیری از عفونت در وهله اول معطوف کرد.
این تمرکز جدید باعث شد تیم او درباره یک سوال اساسی در چرخه انتقال فکر کند: این انگل واقعاً چگونه در آب های آزاد حرکت می کند تا میزبان انسان را آلوده کند؟ آنها امیدوارند که با درک بیوفیزیک نحوه شنای این انگل، ممکن است مانع از حرکت و خنثی کردن عفونت شود.نتایج این مطالعه در شماره 31 اکتبر Nature Physics منتشر شده است.
پراکاش، نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: «ما شروع به فکر کردن در مورد زمینه‌های زیست‌محیطی چرخه بیماری شیستوزومیازیس کردیم، زمانی که در میدان، شاهد آسیب‌های وحشتناکی بودیم که این بیماری به مردم وارد می‌کند. این بیماری در دوره‌های طولانی ظاهر می‌شود و اگر آب اطراف شما آلوده باشد، احتمال ابتلای شما به این بیماری بسیار زیاد است. بنابراین، به طور موثر، می‌توانید داروهایی مصرف کنید که می‌توانند برای مدتی شما را درمان کنند، اما به این بیماری مبتلا می‌شوید. دوباره آلوده شد."
بیماری ناتوان کننده
افراد زمانی به شیستوزومیازیس مبتلا می شوند که شکل لاروی انگل میزبان حلزون آب شیرین را ترک کند، در آب شنا کند و به پوست انسان نفوذ کند. یک بار در یک فرد، لاروها به شیستوزوم های بالغ تبدیل می شوند. انگل‌های ماده بعداً تخم‌هایی را آزاد می‌کنند که یا از طریق ادرار و مدفوع از بدن خارج می‌شوند یا در بافت‌های بدن به دام می‌افتند و باعث ایجاد پاسخ ایمنی و آسیب‌های اندام در مقیاس بزرگ می‌شوند.هنگامی که تخم‌های ادرار یا مدفوع وارد آب با میزبان حلزون‌های آب شیرین می‌شوند، چرخه دوباره شروع می‌شود.
عفونت شیستوزومیازیس اغلب باعث درد شکمی، اسهال و خون در مدفوع یا ادرار می شود. همچنین می تواند باعث کمبود یادگیری در کودکان و ناتوانی در کار در بزرگسالان شود که خانواده ها را در چرخه فقر به دام می اندازد. با گذشت سالها، بزرگسالان ممکن است به سرطان مثانه یا آسیب شدید کلیه مبتلا شوند که کیفیت زندگی آنها را کاهش می دهد. در برخی موارد این بیماری منجر به مرگ می شود.
سازمان بهداشت جهانی (WHO) تخمین می زند که 258 میلیون نفر در سال 2014 به درمان پیشگیرانه برای شیستوزومیازیس نیاز داشته اند و حدود 20000 نفر جان خود را از دست داده اند. مانند بسیاری دیگر از بیماری های استوایی نادیده گرفته شده، شیستوزومیازیس به طور نامتناسبی بر افرادی که در فقر زندگی می کنند تأثیر می گذارد. این افراد بیشتر در معرض ابتلا به عفونت هستند زیرا اغلب دسترسی کمتری به سرویس بهداشتی کافی یا آب سالم برای نوشیدن، کارهای خانگی، تفریح، ماهیگیری یا کشاورزی دارند.حتی پس از درمان، افراد اغلب از طریق تماس مداوم با آب آلوده مجدداً آلوده می شوند.
از کجا شروع کنیم
پراکاش تصمیم گرفت بررسی کند که لاروهای شیستوزومیازیس چگونه شنا می کنند تا میزبان انسان را پیدا کنند. این یک سوال ارزشمند است زیرا در شکل لاروی خود، انگل مکانیسم تغذیه ای ندارد و باید در عرض 12 ساعت میزبانی پیدا کند یا بمیرد. پس منطقی است که لاروها احتمالاً مهارت های ویژه و بسیار کارآمد شنا دارند. معلوم شد که قوز درست است.
دیپاک کریشنامورتی، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه پراکاش و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید: "این شبیه هر چیزی بود که قبلا دیده بودم." "وقتی به این انگل نگاه کردم، مجذوب این واقعیت شدم که در مقایسه با هر میکروارگانیسم دیگری که در موردش می‌شناختم، به شیوه‌ای کاملا متفاوت شنا می‌کرد. این انگل یک دم چنگال‌دار مرموز داشت، چیزی که قبلاً در هیچ‌یک از آنها دیده نشده بود. سایر میکروارگانیسم های شنا."
محققان از سه رویکرد مختلف برای بررسی این سکته عجیب در شنا استفاده کردند. آنها از لارو انگل زنده با میکروسکوپ با سرعت بالا تصویربرداری کردند، آنها یک مدل ریاضی برای درک نحوه تعامل انگل با مایع اطراف ایجاد کردند، و در نهایت آن مدل را به یک شناگر رباتیک بزرگ‌شده به عنوان یک پسوند فیزیکی برای یادگیری بیشتر در مورد پارامترهای فیزیکی ترجمه کردند. در حال بازی.
The T-swimer
هنگام مشاهده لاروها، تیم متوجه چند سبک شنا شدند که لاروهای شیستوزومیازیس در موقعیت‌های مختلف به کار می‌برند و عمدتاً در موقعیت دم چنگال‌دار متفاوت هستند. از بین آنها، یکی به عنوان منحصر به فرد متمایز بود. در این سکته مغزی، لاروها دم را به صورت عمود بر بدن، مانند حرف T می‌چسبانند و محققان را بر آن می‌دارد تا آنها را شناگر T نامگذاری کنند.
لاروها هنگامی که بر خلاف جاذبه حرکت می کنند به شنای T تغییر می کنند، که به نظر می رسد این کار را انجام می دهند تا در نزدیکی سطح آب قرار بگیرند، جایی که به احتمال زیاد میزبان انسانی را پیدا می کنند.ویدئویی با سرعت بالا از شنای لاروهای زنده به محققان این امکان را داد تا به طور عمیق نحوه عملکرد این سبک شنای جدید را بررسی کنند.
یورگوس کاتسیکیس، دانشجوی سابق دکترا در آزمایشگاه پراکاش و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «ما ساعت‌های بی‌شماری را صرف تماشای شنای صدها تن از این انگل‌ها کردیم - این مانند یک وسواس است. سپس الگوریتم‌های پردازش تصویر را توسعه دادیم که این داده‌ها را به‌طور خودکار و بدون هیچ گونه سوگیری تجربی پردازش می‌کنند.»
این الگوریتم های سفارشی سینماتیک دقیق چگونگی خم شدن بدن لاروها و چرخش سرشان، سرعت حرکت آنها و نحوه شتاب و کاهش سرعت و اختلال در مایع اطراف را نشان می دهد.
ایجاد مدل
به موازات مشاهدات مستقیم، محققان چندین مدل ریاضی و رباتیک برای نحوه شنا کردن یک شناگر تی توسعه دادند. نمایش های ریاضی مانند سه میله به نظر می رسند که یکی نشان دهنده دم چنگال دار لارو و دو تای دیگر دم و بدن خمیده آن است.ربات‌ها ساختار مشابهی داشتند و در میان شربت ذرت شنا می‌کردند، یک همتای چسبناک 10000 برابر آبی که لاروها به آن هجوم می‌آورند، تا اثرات فیزیکی مشابهی را ایجاد کنند.
با این مدل ها، آنها می توانند لاروهای مدل را وادار به انجام ضرباتی کنند که شامل ترکیبات مختلفی از سفتی دم و حرکت خمشی است. آنها حتی با چندین ربات مسابقه دادند که هرکدام با تغییرات جزئی در سفتی دم خود مواجه شدند.
کریشنامورتی گفت: "در بسیاری از موارد، ما سعی می کنیم طبیعت را در روبات ها تکرار کنیم. این بسیار متفاوت بود." در ظاهر، به نظر می رسد که من سعی می کنم رباتی بسازم که مانند یک انگل شنا کند، اما حقیقت این است که دقیقا برعکس بود: من در حال ساخت یک ربات بودم تا در واقع بفهمم انگل بیولوژیکی چگونه شنا می کند.
آنچه این مدل‌ها و تغییرات مختلف نشان دادند این است که شنای واقعی لاروها واقعاً نسخه بهینه بود.
پراکاش و کریشنامورتی در ماداگاسکار بوده اند تا حلزون های آلوده را جمع آوری کرده و اکولوژی این انگل را در آب های آزاد روستاهای روستایی مطالعه کرده اند.آنها امیدوارند که کارشان در داخل و خارج از آزمایشگاه به آنها کمک کند تا بفهمند چگونه این انگل ها انسان ها را پیدا می کنند و آنها را یک قدم به راه حل زیست محیطی برای این بیماری گسترده نزدیک تر می کند.
