微流體平臺(tái)模擬血液微環(huán)境來監(jiān)測蜱蟲傳播的寄生蟲
微流體平臺(tái)模擬血液微環(huán)境來監(jiān)測蜱蟲傳播的寄生蟲
巴貝斯蟲病是一種傳染病，其癥狀類似瘧疾，傳播方式類似萊姆病。這種疾病在美國曾一度罕見，但現(xiàn)在卻越來越普遍，尤其是在東北部、大西洋中部和中西部北部地區(qū)。
為了幫助科學(xué)家更多地了解巴貝斯蟲病，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一個(gè)監(jiān)測紅細(xì)胞感染的新平臺(tái)。
這種疾病是由寄生蟲巴貝斯蟲引起的，這種寄生蟲生活在嚙齒動(dòng)物的血液中。蜱蟲叮咬受感染的嚙齒動(dòng)物，然后再叮咬人類，就會(huì)傳播這種疾病。寄生蟲進(jìn)入血液，感染并破壞紅細(xì)胞。
早期準(zhǔn)確診斷對(duì)于有效治療至關(guān)重要。巴貝斯蟲病可能無癥狀，也可能引起類似流感的癥狀，對(duì)于老年人和免疫功能低下者來說，病情可能較為嚴(yán)重。
這種寄生蟲的傳播和感染機(jī)制尚不清楚。在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上，塔格博·涅帕及其同事介紹了一種可用于研究微小巴貝斯蟲的微流體系統(tǒng)。
在宿主系統(tǒng)之外培養(yǎng)寄生蟲極具挑戰(zhàn)性，因此傳統(tǒng)的傳染病研究方法依賴于動(dòng)物模型。“我們想制造一種寄生蟲能夠在其中生存并保持活力的工具，以便進(jìn)行體外研究，”化學(xué)工程和生物醫(yī)學(xué)工程副教授Niepa說道。
圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)化學(xué)工程系
Niepa μ生物界面實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)微流體平臺(tái)，用于在接近天然條件下培養(yǎng)微生物。微生物在實(shí)驗(yàn)室條件下的行為與在自然環(huán)境中的行為不同，這一直是體外實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重大限制。
為了更好地研究巴貝斯蟲的生命周期，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)平臺(tái)，用于維持該寄生蟲的全血微環(huán)境。合作者包括當(dāng)時(shí)在Niepa μBiointerface實(shí)驗(yàn)室工作的研究員Chao Li，以及匹茲堡大學(xué)傳染病、微生物學(xué)和免疫學(xué)助理教授Danielle Tufts。
他們的技術(shù)將表面的疏水和親水特性功能化。通過精確地放置油和水，他們可以制造出一個(gè)微型通道，其大小剛好夠容納一層紅細(xì)胞。
“你可以觀察細(xì)胞單層，并觀察巴貝斯蟲隨時(shí)間的感染動(dòng)態(tài)，”Niepa說道。由于開放式微流體系統(tǒng)比封閉式微流體平臺(tái)提供了更好的物理和光學(xué)樣品獲取途徑，科學(xué)家可以評(píng)估單個(gè)細(xì)胞中的巴貝斯蟲。
該平臺(tái)可以更輕松地識(shí)別寄生蟲，測量血液中寄生蟲的密度，并追蹤受感染紅細(xì)胞的損傷。Niepa 及其同事對(duì)微小巴貝斯蟲進(jìn)行了染色，使其在共聚焦顯微鏡圖像中發(fā)出熒光，與紅細(xì)胞形成清晰的對(duì)比。
Niepa 正致力于將該平臺(tái)與自動(dòng)化設(shè)備操作、成像和人工智能圖像分析相結(jié)合。與醫(yī)院使用的快速廉價(jià)的檢測方法相比，高分辨率共聚焦圖像價(jià)格昂貴，且需要數(shù)天的數(shù)據(jù)收集時(shí)間。大約五分鐘內(nèi)，醫(yī)護(hù)人員就可以使用標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡在單滴血涂片中尋找微小巴貝斯蟲。
Niepa 看到了人工智能優(yōu)化其更先進(jìn)流程的潛力，提高了檢測速度并為醫(yī)學(xué)界提供了更多有關(guān)感染程度的信息。
“還有很多特性需要研究，”Niepa 說。例如，雖然已知田鼠巴貝斯蟲會(huì)感染嚙齒動(dòng)物和人類，但攜帶和傳播蜱蟲的鹿卻不會(huì)受到感染?！斑@帶來了一些有趣的生物學(xué)問題，在我們的體外平臺(tái)上比在動(dòng)物模型中更容易研究。”
血液樣本中的細(xì)胞濃度會(huì)隨著時(shí)間的推移自然降低，而在 Niepa 和 Li 的系統(tǒng)中，樣本可以保存 72 小時(shí)。Niepa μBiointerface 實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)平臺(tái)增強(qiáng)功能，使其能夠評(píng)估寄生蟲在一周內(nèi)的生存能力，從而超越最先進(jìn)的平臺(tái)。
更多信息： Chao Li 等，《全血微環(huán)境中微小巴貝斯蟲感染動(dòng)力學(xué)的體外監(jiān)測》，《先進(jìn)科學(xué)》（2025）。DOI ：10.1002/advs.202508185
期刊信息： Advanced Science