Name: Pleins feux sur l’auteur : Développement de cantilevers AFM bio-hybrides pour l’analyse quantitative des mécanismes de piqûre de moustiques
Uploaded: 2024-04-26T14:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Author Spotlight: Development of Bio-Hybrid AFM Cantilevers for Quantitative Analysis of Mosquito Biting Mechanisms at JoVE.com

Les auteurs soulignent l’appui financier du Fonds Nouvelles frontières en recherche (FNFR), du Programme de découverte du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et des bourses de maîtrise du Fonds de recherche du Québec Nature et Technologies (FRQNT). Les auteurs tiennent également à remercier le groupe du professeur Yaoyao Zhao à McGill pour leur soutien technique sur l’impression 3D de certains composants.

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...

Sonde AFM bio-hybride avec labrum de moustique pour l’étude des comportements de piqûre

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M., Swaminathan, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanics+of+a+mosquito+bite+with+applications+to+microneedle+design.">Mechanics of a mosquito bite with applications to microneedle design.</a> Bioinspir Biomim. 3 (4), 046001 (2008).</li><li>Dai, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+surface+measurements+at+sidewalls+of+nano-+and+micro-structures.">Nanoscale surface measurements at sidewalls of nano- and micro-structures.</a> Measur Sci and Technol. 18 (2), 334-341 (2007).</li></ol>

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...

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 victime12,13, 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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>&#160;5-SA-SE Straight Tapered Ultra Fine-Pointed Tweezers</td>
			<td>Excelta</td>
			<td>N/A</td>
			<td>For manipulating/dissecting the proboscis.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-4D Probe station</td>
			<td>Everbeing Int&#8217;l Corp&#160;</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Used for AFM assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tipless Tapping Mode Cantilever</td>
			<td>NanoAndMore USA</td>
			<td>TL-NCH</td>
			<td>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 &#181;m (115 - 135 &#181;m) 
			Width: 30 &#181;m (22.5 - 37.5 &#181;m) 
			Thickness: 4 &#181;m ( 3 - 5 &#181;m)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Expoxy</td>
			<td>Let&#39;s resin</td>
			<td>ALR00146</td>
			<td>For stinger attachment.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of a bio-hybrid mosquito stinger-based atomic force microscopy probe

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.

World Health Organization (WHO) reported that vector-borne diseases (VBDs) account for over 17% of all infectious diseases, which cause more than 7,00,000 deaths per year globally. For example, as the deadliest animal in the world, mosquitoes spread numerous pathogens, such as dengue, malaria, and Zika, through blood-feeding arthropods, resulting in 700 million infections each year1. Explorations toward the development of effective measures to prevent VBDs are of crucial importance, including mimicking the penetration behaviors of mosquitoes to investigate their biting mechanisms and studies of potential barriers to prove their efficacy in preventing penetration. One key challenge is to develop proper approaches to perform such investigations. Efforts have been made in the literature, including the development of micro-scale needles that resemble the geometry of a mosquito stinger; however, many of the materials used to make these microneedles (i.e., viscoelastic materials2, silicon (Si), glass, ceramic3, etc.) have different mechanical properties than the biological material of the mosquito&#39;s proboscis. The engineered materials can be brittle and prone to fracture and buckling3,4, whereas the mosquito&#39;s proboscis can withstand fracture or buckling better4. The benefit of having a bio-hybrid probe using the labrum of a mosquito instead of engineered materials is that it can be a more accurate representation of the piercing mechanism of mosquitoes. Also, specialized tools must be integrated with micro needles to perform quantitative studies, such as the accurate measurement of force5, which is not easily achievable with customized setups using engineered microneedles.
Atomic force microscopy (AFM)-based approach is promising in that it operates by employing a cantilever with an ultra-fine tip that is carefully positioned close to a sample&#39;s surface. The tip can either scan across or be pressed towards/into a surface, experiencing varying attractive or repulsive forces due to its interactions with a sample6. These interactions lead to the cantilever&#39;s deflection, which is tracked by the reflection of a laser beam from the cantilever&#39;s top onto a photodetector6. The exceptional sensitivity to movement of the system enables AFM to conduct a diverse range of measurements, including but not limited to morphological mapping with picometer accuracy, force measurements ranging from piconewtons to micronewtons, and comprehensive multiphysics investigations7. For example, AFM indentations can be performed to precisely assess the response to the applied force of a sample and also to measure the hardness, elasticity, and other mechanical properties of a sample by coupling with appropriate analytical models8. The probe of the AFM is most commonly made of silicon (Si) or silicon nitride (Si3N4)8 with a length of 20-300 &#181;m9 and a tip radius on the order of several to tens of nanometers10. The nanometer scale tip radius can be ideal for applications such as high-resolution imaging; however, it does not possess the characteristics of biological stingers for studies that try to mimic penetration behaviors in terms of stiffness, radius, shape, and aspect ratio. For example, the microneedle structure of a mosquito is the fascicle, which has an aspect ratio of ~6011 (length ~1.5 mm to 2 mm; diameter ~30 &#181;m)12. While a conventional AFM probe can be assumed to resemble a biological stinger like a labrum, its distinct material properties and dimensions will not reflect the real situation during a bite.
To enable quantitative investigations of penetration behaviors mimicking biological bites of insects or other animals with stingers, here, a process to fabricate bio-hybrid AFM cantilevers with a biological stinger as its tip is developed. As a case study, an AFM cantilever with a mosquito labrum&#39;s tip attached was successfully demonstrated. Harnessing existing information from literature on the typical insertion forces that a mosquito uses to pierce through a victim&#39;s skin12,13, this bio-hybrid AFM cantilever can potentially allow near-real mimicry of mosquito bites under a regular AFM. The protocol of leveraging micro biological stingers to fabricate bio-hybrid AFM cantilevers can also be applied to the development of other sharp stinger-based biohybrid AFM cantilevers for quantitative investigations of a variety of biting mechanisms.
Terminologies 
A schematic of a proboscis and its components of interest are shown in Figure 1, and their definitions are (1) Proboscis: a body part from the mouth of a mosquito that allows the mosquito to feed itself, with a core-shell structure composed of the fascicle(core) and the labium(shell), (2) Labium: the dark and blunt outer cover of a proboscis2, (3) Fascicle: a group of slender needles contained inside of the labium, including two maxillae, two mandibles, a hypopharynx, and a labrum2, (4) Hypopharynx: responsible for secreting saliva into the host&#39;s bloodstream2, (5) Maxillae: serrated member assisting in the feeding mechanism2, (5) Mandibles: similar to the maxilla, they help the mosquito in the feeding mechanism and have a sharp tip2, (6) Labrum: the main member for penetrating the skin of a victim, which is much bigger than the maxillae, mandibles and hypopharynx. It also has sensory structures that allow it to find blood vessels and internal channels under the skin2, (7) Manipulator: an assembly with three degrees of freedom and micron-scale accuracy for positioning, allowing movement in XYZ directions, (8) Clamp assembly: a custom-made 2-part clamp mounted to the manipulator used to clamp the tipless AFM cantilever during the experiment.

Pleins feux sur l’auteur : Développement de cantilevers AFM bio-hybrides pour l’analyse quantitative des mécanismes de piqûre de moustiques

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

We're looking to develop an AFM cantilever to potentially quantitatively study the biting mechanisms of the mosquito. Our protocol offers a new method for creating accurate, controllable, and reliable AFM probes in order to study animal biting or stinging processes. Our protocol aims at accurately simulating the animal biting process, causing current methodologies to either be uncontrollable, unreproducible in a reliable manner, or in certain cases completely inaccurate.The impact of our work is twofold. The first, we create a protocol that enables other researchers to fabricate their own custom bio-hybrid AFM cantilevers. Secondly, our work paves the way for creating other protocols that merge testing systems with biological material for creating more realistic testing scenarios.

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...

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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.

Mosquitoes, notorious as the deadliest animals to humans due to their capacity to transmit diseases, pose a persistent challenge to public health. The ...

Nous cherchons à développer un cantilever AFM pour étudier potentiellement quantitativement les mécanismes de piqûre du moustique. Notre protocole offre une nouvelle méthode pour créer des sondes AFM précises, contrôlables et fiables afin d’étudier les processus de morsure ou de piqûre d’animaux. Notre protocole vise à simuler avec précision le processus de morsure des animaux, ce qui rend les méthodologies actuelles soit incontrôlables, soit non reproductibles de manière fiable, soit dans certains cas complètement inexactes.L’impact de notre travail est double. La première, nous créons un protocole qui permet à d’autres chercheurs de fabriquer leurs propres cantilevers AFM bio-hybrides personnalisés. Deuxièmement, notre travail ouvre la voie à la création d’autres protocoles qui fusionnent les systèmes d’essai avec le matériel biologique pour créer des scénarios d’essai plus réalistes.

development-bio-hybrid-mosquito-stinger-based-atomic-force-microscopy

Research

JoVE Journal

Engineering

Development of a Bio-Hybrid Mosquito Stinger-Based Atomic Force Microscopy Probe

Mosquitoes, notorious as the deadliest animals to humans due to their capacity to transmit diseases, pose a persistent challenge to public health. The primary prevention strategy currently in use involves chemical repellents, which often prove ineffective as mosquitoes rapidly develop resistance. Consequently, the invention of new preventive methods is crucial. Such development hinges on a thorough understanding of mosquito biting behaviors, necessitating an experimental setup that accurately replicates actual biting scenarios with controllable testing parameters and quantitative measurements. To bridge this gap, a bio-hybrid atomic force microscopy (AFM) probe was engineered, featuring a biological stinger - specifically, a mosquito labrum - as its tip. This bio-hybrid probe, compatible with standard AFM systems, enables a near-authentic simulation of mosquito penetration behaviors. This method marks a step forward in the quantitative study of biting mechanisms, potentially leading to the creation of effective barriers against vector-borne diseases (VBDs) and opening new avenues in the fight against mosquito-transmitted illnesses.

Quantitative and controlled investigations into insect biting behaviors are crucial for devising effective strategies to combat vector-borne diseases. In this context, a method for fabricating a bio-hybrid atomic force microscopy (AFM) probe is introduced.