Name: Autor em destaque: Desenvolvimento de balanços AFM bio-híbridos para análise quantitativa de mecanismos de picada de mosquito
Uploaded: 2024-04-26T14:40:00
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Os autores reconhecem o apoio financeiro do Fundo de Novas Fronteiras em Pesquisa do Canadá (NFRF), do programa Discovery do Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC) e das bolsas de treinamento de mestrado do Fonds de Recherche du Québec Nature et Technologies (FRQNT). Os autores também gostariam de agradecer ao grupo do Prof. Yaoyao Zhao na McGill por seu suporte técnico na impressão 3D de alguns componentes.

A espécie de mosquito utilizada para este protocolo é uma fêmea adulta não infectada Aedes aegypti (A. aegypti), recebida congelada e armazenada em freezer de -20 °C. A espécie foi fornecida pelo Centro de Recursos de Reagentes de Pesquisa de Filariose do NIH / NIAID para distribuição através da BEI Resources, NIAID, NIH: Aedes aegypti não infectado, cepa Black Eye Liverpool (congelado), NR-48920. Os reagentes e equipamentos utilizados para o estudo estão listados na Tabela d...

Ponta de prova Bio-híbrida do AFM com o Mosquito Labrum para estudar comportamentos de mordida

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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>

A etapa 1 do protocolo destina-se a limpar a amostra biológica do lábio indesejado. Para isso, é feita uma incisão no lábio, mas não no fascículo, que repousa diretamente abaixo do lábio (Figura 1). Como o fascículo e o lábio não estão unidos em sua interface (ou seja, o lábio está livre para deslizar ao longo do fascículo e só é mantido no lugar por sua fixação à cabeça do mosquito), a incisão realizada destina-se a separar parte do lábio da cabeça do mosquito, facil...

A Organização Mundial da Saúde (OMS) informou que as doenças transmitidas por vetores (VBDs) são responsáveis por mais de 17% de todas as doenças infecciosas, que causam mais de 7,00,000 mortes por ano em todo o mundo. Por exemplo, como o animal mais mortal do mundo, os mosquitos espalham vários patógenos, como dengue, malária e zika, por meio de artrópodes que se alimentam de sangue, resultando em 700 milhões de infecções a cada ano1. Explorações para o desenvolvimento de medidas eficazes para prevenir VBDs são de importância crucial, incluindo imitar os comportamentos de penetração de mosquitos para investigar seus mecanismos de picada e estudos de barreiras potenciais para provar sua eficácia na prevenção da penetração. Um dos principais desafios é desenvolver abordagens adequadas para realizar tais investigações. Esforços têm sido feitos na literatura, incluindo o desenvolvimento de agulhas em microescala que se assemelham à geometria de um ferrão de mosquito; no entanto, muitos dos materiais usados para fazer essas microagulhas (ou seja, materiais viscoelásticos2, silício (Si), vidro, cerâmica3, etc.) têm propriedades mecânicas diferentes do material biológico da tromba do mosquito. Os materiais de engenharia podem ser quebradiços e propensos a fraturas e flambagens 3,4, enquanto a tromba do mosquito pode suportar melhor fraturas ou flambagens4. O benefício de ter uma sonda bio-híbrida usando o labrum de um mosquito em vez de materiais de engenharia é que ela pode ser uma representação mais precisa do mecanismo de perfuração dos mosquitos. Além disso, ferramentas especializadas devem ser integradas com microagulhas para realizar estudos quantitativos, como a medição precisa da força5, o que não é facilmente alcançável com configurações personalizadas usando microagulhas projetadas.
A abordagem baseada em microscopia de força atômica (AFM) é promissora, pois opera empregando um cantilever com uma ponta ultrafina que é cuidadosamente posicionada perto da superfície de uma amostra. A ponta pode escanear ou ser pressionada em direção a uma superfície, experimentando forças atrativas ou repulsivas variadas devido às suas interações com uma amostra6. Essas interações levam à deflexão do cantilever, que é rastreada pelo reflexo de um feixe de laser do topo do cantilever para um fotodetector6. A sensibilidade excepcional ao movimento do sistema permite que o AFM conduza uma escala diversa de medições, incluindo mas não limitadas ao mapeamento morfológico com precisão do picômetro, às medidas da força que variam dos piconewtons aos micronewtons, e às investigações multifísicas detalhadas7. Por exemplo, as reentrâncias do AFM podem ser executadas para avaliar precisamente a resposta à força aplicada de uma amostra e igualmente para medir a dureza, a elasticidade, e outras propriedades mecânicas de uma amostra acoplando com os modelos analíticos apropriados8. A ponta de prova do AFM é feita o mais geralmente do silicone (Si) ou do nitreto de silicone (Si3N4)8 com um comprimento do μm9 de 20-300 e de um raio da ponta na ordem de diversos às dezenas dos nanômetros10. O raio da ponta da escala nanométrica pode ser ideal para aplicações como imagens de alta resolução; no entanto, não possui as características dos ferrões biológicos para estudos que tentam imitar comportamentos de penetração em termos de rigidez, raio, forma e proporção. Por exemplo, a estrutura da microagulha de um mosquito é o fascículo, que tem uma proporção de ~ 6011 (comprimento ~ 1,5 mm a 2 mm; diâmetro ~ 30 μm) 12 . Quando uma ponta de prova convencional do AFM puder ser suposta assemelhar-se a um ferrão biológico como um labrum, suas propriedades e dimensões materiais distintas não refletirão a situação real durante uma mordida.
Para permitir investigações quantitativas de comportamentos de penetração que imitam mordidas biológicas de insetos ou outros animais com ferrões, aqui, um processo para fabricar balanços AFM bio-híbridos com um ferrão biológico à medida que sua ponta é desenvolvido. Como um estudo de caso, um modilhão do AFM com a ponta de um labrum do mosquito unido foi demonstrado com sucesso. Aproveitando as informações existentes da literatura sobre as forças de inserção típicas que um mosquito usa para perfurar a pele de uma vítima12,13, este cantilever AFM bio-híbrido pode potencialmente permitir uma imitação quase real de picadas de mosquito sob um AFM regular. O protocolo de alavancar micro ferrões biológicos para fabricar os cantilares bio-híbridos do AFM pode igualmente ser aplicado ao desenvolvimento de outros suportes biohíbridos afiados-baseados ferrão-baseados do AFM para investigações quantitativas de uma variedade de mecanismos de mordida.
Terminologias Um esquema de uma tromba e seus componentes de interesse são mostrados na Figura 1, e suas definições são (1) Probóscide: uma parte do corpo da boca de um mosquito que permite que o mosquito se alimente, com uma estrutura núcleo-concha composta pelo fascículo (núcleo) e o lábio (concha), (2) Lábio: a cobertura externa escura e romba de uma tromba2, (3) Fascículo: um grupo de agulhas delgadas contidas dentro do lábio, incluindo duas maxilas, duas mandíbulas, uma hipofaringe e um lábio2, (4) Hipofaringe: responsável pela secreção de saliva na corrente sanguínea do hospedeiro2, (5) Maxilas: membro serrilhado auxiliando no mecanismo de alimentação2, (5) Mandíbulas: semelhantes à maxila, auxiliam o mosquito no mecanismo de alimentação e têm uma ponta afiada2, (6) Labrum: o principal membro para penetrar na pele de uma vítima, que é muito maior que as maxilas, mandíbulas e hipofaringe. Igualmente tem estruturas sensoriais que lhe permitem encontrar vasos sanguíneos e canais internos sob a pele2, (7) Manipulador: um conjunto com três graus de liberdade e precisão da mícron-escala para o posicionamento, permitindo o movimento em sentidos de XYZ, (8) Conjunto da braçadeira: uma braçadeira feito-à-medida de 2 partes montada ao manipulador usado para prender o modilhão sem ponta do AFM durante a experiência.

<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

Os mosquitos, notórios como os animais mais mortais para os seres humanos devido à sua capacidade de transmitir doenças, representam um desafio persistente para a saúde pública. A estratégia de prevenção primária atualmente em uso envolve repelentes químicos, que muitas vezes se mostram ineficazes, pois os mosquitos desenvolvem resistência rapidamente. Consequentemente, a invenção de novos métodos preventivos é crucial. Esse desenvolvimento depende de uma compreensão completa dos comportamentos de picada de mosquito, necessitando de uma configuração experimental que reproduza com precisão os cenários reais de picada com parâmetros de teste controláveis e medições quantitativas. Para preencher essa lacuna, uma sonda de microscopia de força atômica bio-híbrida (AFM) foi projetada, apresentando um ferrão biológico - especificamente, um labrum de mosquito - como sua ponta. Esta ponta de prova bio-híbrida, compatível com sistemas padrão do AFM, permite uma simulação quase autêntica de comportamentos da penetração do mosquito. Este método marca um passo à frente no estudo quantitativo dos mecanismos de picada, potencialmente levando à criação de barreiras eficazes contra doenças transmitidas por vetores (VBDs) e abrindo novos caminhos na luta contra doenças transmitidas por mosquitos.

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.

Autor em destaque: Desenvolvimento de balanços AFM bio-híbridos para análise quantitativa de mecanismos de picada de mosquito

Desenvolvimento de uma sonda de microscopia de força atômica baseada em ferrão de mosquito bio-híbrido

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.

As imagens da microscopia eletrônica da exploração (SEM) da ponta de prova bio-híbrida fabricada do AFM podem ser encontradas na figura 7. A extremidade do labrum foi colada com sucesso à viga cantilever sem ponta. Devido à curvatura natural dos ferrões de mosquito e ao funcionamento manual do protocolo apresentado, é extremamente difícil obter um cantilever com uma ponta de ferrão perfeitamente perpendicular ao cantilever. O ângulo descentralizado entre o ferrão e uma linha cent...

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Investigações quantitativas e controladas sobre comportamentos de picada de insetos são cruciais para a elaboração de estratégias eficazes de combate a doenças transmitidas por vetores. Neste contexto, é introduzido um método para fabricar uma sonda de microscopia de força atômica (AFM) bio-híbrida.

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

Nós estamos olhando para desenvolver um modilhão do AFM para estudar potencialmente quantitativamente os mecanismos de mordida do mosquito. Nosso protocolo oferece um método novo para criar pontas de prova exatas, verificáveis, e seguras do AFM a fim estudar processos mordedores ou de picadas animais. Nosso protocolo visa simular com precisão o processo de mordida do animal, fazendo com que as metodologias atuais sejam incontroláveis, irreproduzíveis de maneira confiável ou, em certos casos, completamente imprecisas.O impacto do nosso trabalho é duplo. O primeiro, nós criamos um protocolo que permita que outros pesquisadores fabriquem seus próprios modilhões bio-híbridos feitos sob encomenda do AFM. Em segundo lugar, nosso trabalho abre caminho para a criação de outros protocolos que mesclam sistemas de teste com material biológico para criar cenários de teste mais realistas.

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.