Name: 저자 스포트라이트: 모기 무는 메커니즘의 정량 분석을 위한 Bio-Hybrid AFM 캔틸레버 개발
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

저자들은 캐나다의 NFRF(New Frontiers in Research Fund), NSERC(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Discovery 프로그램 및 FRQNT(Fonds de Recherche du Québec Nature et Technologies) 석사 교육 장학금의 자금 지원을 인정합니다. 저자들은 또한 일부 구성 요소의 3D 프린팅에 대한 기술 지원을 제공한 McGill의 Yaoyao Zhao 교수 그룹에 감사를 표하고 싶습니다.

이 프로토콜에 사용된 모기 종은 감염되지 않은 성인 암컷 Aedes aegypti (A. aegypti)로, 냉동 보관되어 -20°C 온도의 냉동고에 보관되었습니다. 이 종은 BEI Resources, NIAID, NIH: UNINFECTED AEDES AEGYPTI, Strain Black Eye Liverpool (Frozen), NR-48920을 통해 배포하기 위해 NIH/NIAID Filariasis Research Reagent Resource Center에서 제공했습니다. 연구에 사용된 시약 및 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다...

무는 행동을 연구하기 위한 모기 소음순이 있는 Bio-Hybrid AFM 프로브

<ol>
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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>

프로토콜의 1단계는 원치 않는 소음순의 생물학적 샘플을 청소하기 위한 것입니다. 이를 위해 소음순을 절개하지만 소음순 바로 아래에 있는 근막은 절개하지 않습니다(그림 1). 근막과 소음순이 경계면에서 서로 결합되어 있지 않기 때문에(즉, 소음순은 근막을 따라 자유롭게 미끄러질 수 있고 모기 머리에 부착되어야만 제자리에 유지됨) 수행된 절개는 소음순의 일부를 모...

세계보건기구(WHO)는 매개체 매개 질병(VBD)이 모든 전염병의 17% 이상을 차지하며, 전 세계적으로 매년 7,00,000명 이상의 사망을 초래한다고 보고했습니다. 예를 들어, 세계에서 가장 치명적인 동물인 모기는 뎅기열, 말라리아, 지카 바이러스와 같은 수많은 병원체를 혈액을 먹는 절지동물을 통해 퍼뜨려 매년 7억 건의 감염을 일으킵니다1. VBD를 예방하기 위한 효과적인 조치를 개발하기 위한 탐색은 매우 중요하며, 여기에는 모기의 침투 행동을 모방하여 무는 메커니즘을 조사하고 침투 방지 효과를 입증하기 위한 잠재적 장벽에 대한 연구를 포함합니다. 한 가지 주요 과제는 이러한 조사를 수행하기 위한 적절한 접근 방식을 개발하는 것입니다. 모기 침의 기하학을 닮은 마이크로 스케일 바늘의 개발을 포함하여 문헌에 대한 노력이 이루어졌습니다. 그러나 이러한 미세 바늘을 만드는 데 사용되는 많은 재료(즉, 점탄성 재료2, 실리콘(Si), 유리, 세라믹3 등)은 모기의 주둥이의 생물학적 재료와 다른 기계적 특성을 가지고 있습니다. 공학적 재료는 부서지기 쉽고 파괴 및 좌굴이 발생하기 쉬우며3,4 모기의 주둥이는 파괴 또는 좌굴을 더 잘 견딜 수 있습니다4. 공학적 재료 대신 모기의 소음순을 사용하는 바이오 하이브리드 프로브의 이점은 모기의 관통 메커니즘을 보다 정확하게 표현할 수 있다는 것입니다. 또한 force5의 정확한 측정과 같은 정량적 연구를 수행하기 위해 특수 도구를 마이크로 니들과 통합해야 하며, 이는 엔지니어링된 마이크로니들을 사용하는 맞춤형 설정으로는 쉽게 달성할 수 없습니다.
원자력 현미경(AFM) 기반 접근 방식은 초미세 팁이 있는 캔틸레버를 사용하여 샘플 표면 가까이에 조심스럽게 배치한다는 점에서 유망합니다. 팁은 표면을 가로질러 스캔하거나 표면 쪽으로/밀어낼 수 있으며, 샘플6과의 상호 작용으로 인해 다양한 인력 또는 반발력을 경험할 수 있습니다. 이러한 상호 작용은 캔틸레버의 편향으로 이어지며, 이는 캔틸레버의 상단에서 광검출기(6)로 레이저 빔이 반사됨으로써 추적됩니다. 시스템의 움직임에 대한 탁월한 민감성을 통해 AFM은 피코미터 정확도를 사용한 형태학적 매핑, 피코네톤에서 마이크로뉴턴에 이르는 힘 측정, 포괄적인 다중물리학 조사를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 측정을 수행할 수 있습니다7. 예를 들어, AFM 압흔을 수행하여 샘플에 가해진 힘에 대한 반응을 정확하게 평가하고 적절한 분석 모델8과 결합하여 샘플의 경도, 탄성 및 기타 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. AFM의 프로브는 가장 일반적으로 실리콘 (Si) 또는 실리콘 질화물 (Si3N4) 8 로 만들어지며, 길이는 20-300 μm9 이고 팁 반경은 수 내지 수십 나노 미터(10) 정도입니다. 나노미터 스케일 팁 반경은 고해상도 이미징과 같은 응용 분야에 이상적일 수 있습니다. 그러나 강성, 반경, 모양 및 종횡비 측면에서 침투 행동을 모방하려는 연구를 위한 생물학적 침의 특성을 가지고 있지 않습니다. 예를 들어, 모기의 미세바늘 구조는 종횡비가 ~6011 (길이 ~1.5mm에서 2mm, 지름 ~30μm)12인 근막입니다. 기존의 AFM 프로브는 소음순과 같은 생물학적 침과 유사하다고 가정할 수 있지만, 그 고유한 재료 특성과 치수는 교합 중 실제 상황을 반영하지 않습니다.
곤충이나 다른 동물이 침을 쏘는 생물학적 물림을 모방하는 침투 행동에 대한 정량적 연구를 가능하게 하기 위해 여기에서는 팁에 생물학적 침을 사용하여 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버를 제작하는 공정을 개발했습니다. 사례 연구로, 모기 관절와순의 끝이 부착된 AFM 캔틸레버가 성공적으로 시연되었습니다. 모기가 희생자의 피부를 뚫기 위해 사용하는 전형적인 삽입력에 대한 문헌의 기존 정보를 활용하는 이 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버는 잠재적으로 일반 AFM에서 모기에 물린 상처를 거의 실제와 같은 모방을 가능하게 할 수 있습니다. 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버를 제작하기 위해 마이크로 생물학적 스팅어를 활용하는 프로토콜은 다양한 무는 메커니즘의 정량적 조사를 위한 다른 날카로운 스팅어 기반 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버의 개발에도 적용될 수 있습니다.
용어 주둥이와 그 관심 구성 요소의 개략도는 그림 1에 나와 있으며, 그 정의는 (1) 주둥이: 모기의 입에서 모기가 스스로 먹이를 먹을 수 있도록 하는 신체 부위로, 근막(핵심)과 소음순(껍질)으로 구성된 코어 껍질 구조를 가지고 있으며, (2) 소음순: 주둥이의 어둡고 뭉툭한 외부 덮개2, (3) 근막: 소음순 내부에 들어있는 가느다란 바늘 그룹으로, 2개의 상악골, 2개의 하악골, 1개의 하인두, 1개의 관절와순2, (4) 하인두: 숙주의혈류로 타액을 분비하는 역할을 하는 2, (5) 상악골: 섭식 메커니즘을 돕는 톱니 모양의 부재2, (5) 하악골: 상악골과 유사하며, 모기의 섭식 메커니즘을 돕고 끝이 뾰족합니다2, (6) 관절와순 : 상악골, 하악골 및 하인두보다 훨씬 큰 희생자의 피부를 관통하는 주요 부재. 또한 피부 아래의 혈관과 내부 채널을 찾을 수 있는 감각 구조를 가지고 있습니다2, (7) 매니퓰레이터: 위치 지정을 위한 3자유도 및 미크론 단위의 정확도를 가진 어셈블리로 XYZ 방향으로 이동할 수 있습니다. (8) 클램프 어셈블리: 실험 중 팁이 없는 AFM 캔틸레버를 클램핑하는 데 사용되는 매니퓰레이터에 장착된 맞춤형 2파트 클램프입니다.

<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

질병을 전염시키는 능력으로 인해 인간에게 가장 치명적인 동물로 악명 높은 모기는 공중 보건에 지속적인 도전을 제기합니다. 현재 사용되고 있는 주요 예방 전략은 화학 퇴치제와 관련이 있는데, 이는 모기가 빠르게 내성을 갖게 됨에 따라 효과가 없는 것으로 판명되는 경우가 많습니다. 따라서 새로운 예방 방법의 발명이 중요합니다. 이러한 개발은 모기에 물리는 행동에 대한 철저한 이해에 달려 있으며, 제어 가능한 테스트 매개변수와 정량적 측정을 통해 실제 무는 시나리오를 정확하게 복제하는 실험 설정이 필요합니다. 이 간극을 메우기 위해 생체 하이브리드 원자력 현미경(AFM) 프로브가 설계되었으며, 이 프로브의 끝에는 생물학적 침, 특히 모기 소음순이 있습니다. 표준 AFM 시스템과 호환되는 이 바이오 하이브리드 프로브는 모기 침투 행동에 대한 거의 실제적인 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 이 방법은 무는 메커니즘에 대한 정량적 연구에서 한 걸음 더 나아간 것으로, 잠재적으로 매개체 매개 질병(VBD)에 대한 효과적인 장벽을 만들고 모기 매개 질병과의 싸움에서 새로운 길을 열 수 있습니다.

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.

저자 스포트라이트: 모기 무는 메커니즘의 정량 분석을 위한 Bio-Hybrid AFM 캔틸레버 개발

Bio-Hybrid Mosquito Stinger-Based Atomic Force Microscopy Probe 개발

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.

제작된 바이오 하이브리드 AFM 프로브의 주사전자현미경(SEM) 이미지는 그림 7에서 확인할 수 있습니다. labrum의 끝은 팁이 없는 캔틸레버 빔에 성공적으로 접착되었습니다. 모기 침의 자연스러운 곡률과 제시된 프로토콜의 수동 작동으로 인해 캔틸레버에 완벽하게 수직인 침 끝이 있는 캔틸레버를 얻는 것은 매우 어렵습니다. 스팅어와 캔틸레버에 수직인 가상의 중심선 사이?...

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곤충에 물리는 행동에 대한 정량적 및 통제된 조사는 매개체 매개 질병과 싸우기 위한 효과적인 전략을 고안하는 데 중요합니다. 이러한 맥락에서 바이오 하이브리드 원자력 현미경(AFM) 프로브를 제작하는 방법이 소개됩니다.

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

우리는 모기의 무는 메커니즘을 잠재적으로 정량적으로 연구하기 위해 AFM 캔틸레버를 개발하려고 합니다. 당사의 프로토콜은 동물의 무는 또는 쏘는 과정을 연구하기 위해 정확하고 제어 가능하며 신뢰할 수 있는 AFM 프로브를 만드는 새로운 방법을 제공합니다. 우리의 프로토콜은 동물이 무는 과정을 정확하게 시뮬레이션하는 것을 목표로 하며, 이로 인해 현재 방법론은 제어할 수 없거나, 신뢰할 수 있는 방식으로 재현할 수 없거나, 경우에 따라 완전히 부정확합니다.우리 업무의 영향은 두 가지입니다. 첫 번째는 다른 연구자들이 자신만의 맞춤형 바이오 하이브리드 AFM 캔틸레버를 제작할 수 있도록 하는 프로토콜을 만드는 것입니다. 둘째, 우리의 작업은 보다 현실적인 테스트 시나리오를 만들기 위해 테스트 시스템을 생물학적 재료와 병합하는 다른 프로토콜을 만들기 위한 길을 닦습니다.

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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.