Durante varios años, Manu Prakash, profesor asistente de bioingeniería, ha ido a los sitios de campo para probar microscopios nuevos y de bajo costo como una herramienta para diagnosticar la esquistosomiasis parasitaria. Los dispositivos se mostraron prometedores, pero Prakash estaba perplejo por la frecuencia con la que los niñostratados por la enfermedad se estaban reinfectando. Prakash rápidamente centró su atención en la prevención de infecciones en primer lugar.
Este nuevo enfoque llevó a su equipo a pensar en una pregunta fundamental en el ciclo de transmisión: ¿cómo se mueve este parásito en aguas abiertas para infectar a un huésped humano? Ellos esperan que al comprender la biofísica de cómo nada este parásito, podría serposible obstaculizar el movimiento y frustrar la infección. Los resultados de este estudio se publican en la edición del 31 de octubre de Física de la naturaleza .
"Comenzamos a pensar en el contexto ecológico para el ciclo de la enfermedad de esquistosomiasis cuando, en el campo, estábamos viendo el terrible trauma que inflige a las personas", dijo Prakash, autor principal del estudio. "Se manifiesta durante largos períodos detiempo, y si el cuerpo de agua cerca de usted está infectado, hay una probabilidad muy alta de que contraiga la enfermedad. Por lo tanto, efectivamente, puede tomar medicamentos que podrían curarlo por un tiempo pero volver a infectarse nuevamente ".
una enfermedad debilitante
Las personas se infectan con esquistosomiasis cuando la forma larval del parásito deja el caracol de agua dulce, nada a través del agua y penetra en la piel humana. Una vez en una persona, las larvas se convierten en esquistosomas adultos. Los parásitos femeninos luego liberan huevos, que sonya sea expulsado del cuerpo a través de la orina y las heces o atrapado en tejidos corporales, lo que desencadena una respuesta inmune y daño a gran escala en los órganos. Cuando los huevos de la orina o las heces ingresan a un cuerpo de agua con los caracoles de agua dulce, el ciclo comienza nuevamente.
La infección por esquistosomiasis a menudo produce dolor abdominal, diarrea y sangre en las heces u orina. También puede causar deficiencias de aprendizaje en los niños y una incapacidad para trabajar en adultos que atrapa a las familias en un ciclo de pobreza. Con los años, los adultos pueden desarrollar cáncer de vejigao daño renal severo, que reduce su calidad de vida. En algunos casos, la enfermedad provoca la muerte.
La Organización Mundial de la Salud OMS estima que 258 millones de personas necesitaron tratamiento preventivo para la esquistosomiasis en 2014, con un estimado de 20,000 muertes. Al igual que con muchas otras enfermedades tropicales desatendidas, la esquistosomiasis afecta desproporcionadamente a las personas que viven en la pobreza. Estas personas son más propensasser vulnerables a la infección porque a menudo tienen menos acceso a un saneamiento adecuado o al agua potable para beber, tareas domésticas, recreación, pesca o agricultura. Incluso después del tratamiento, las personas a menudo se reinfectan a través de su contacto constante con agua contaminada.
por dónde empezar
Prakash decidió investigar cómo nadan las larvas de esquistosomiasis para encontrar un huésped humano. Esta es una pregunta valiosa porque, en su forma larval, el parásito no tiene mecanismo de alimentación y debe encontrar un huésped en aproximadamente 12 horas o morir. Es lógico, entonces, que las larvas probablemente tengan habilidades especiales de natación extremadamente eficientes. Resulta que la corazonada es correcta.
"Esto era diferente a todo lo que había visto antes", dijo Deepak Krishnamurthy, un estudiante de doctorado en el Laboratorio Prakash y autor principal del estudio. "Cuando miré este parásito, me fascinó el hecho de que estaba nadando enuna forma completamente diferente en comparación con cualquier otro microorganismo que conozco. El parásito tenía una cola bifurcada misteriosa, algo que nunca antes se había visto en ningún otro microorganismo de natación ".
Los investigadores utilizaron tres enfoques diferentes para investigar este extraño golpe de natación. Crearon imágenes de larvas de parásitos vivos con microscopía de alta velocidad, crearon un modelo matemático para comprender cómo interactúa el parásito con el fluido circundante, y finalmente tradujeron ese modelo en unnadador robótico ampliado como una extensión física para aprender más sobre los parámetros físicos en el juego.
El nadador T
Mientras observaba las larvas, el equipo notó algunos estilos de natación que las larvas de esquistosomiasis emplean en diferentes situaciones, y que difieren principalmente en la posición de la cola bifurcada. De ellas, una se destacó como única. En este golpe, las larvas se peganla cola perpendicular del cuerpo, como la letra T, lo que lleva a los investigadores a llamarlos nadadores en T.
Las larvas cambian a natación en T cuando se mueven contra la gravedad, lo que parecen hacer para estar cerca de la superficie del agua, donde es más probable que encuentren un huésped humano. Se permite el video de alta velocidad de la natación de larvas en vivoLos investigadores examinarán en profundidad cómo funciona este novedoso estilo de natación.
"Pasamos incontables horas viendo nadar a cientos de estos parásitos, es como una obsesión", dijo Yorgos Katsikis, un ex estudiante de doctorado en el Laboratorio Prakash y coautor de este estudio. "Luego desarrollamos algoritmos de procesamiento de imágenes queprocesaría estos datos automáticamente sin ningún sesgo experimental "
Estos algoritmos personalizados revelaron en detalle la cinemática exacta de cómo las larvas doblan su cuerpo y giran su cabeza, qué tan rápido se mueven y cómo aceleran, desaceleran y perturban el fluido circundante.
Creando modelos
Paralelamente a las observaciones directas, los investigadores desarrollaron múltiples modelos matemáticos y robóticos sobre cómo un nadador en T. podía nadar. Las representaciones matemáticas se parecen a tres barras, una que representa la cola bifurcada de las larvas y las otras dos su cola y cuerpo doblados.Los robots tenían una estructura similar y nadaban a través del jarabe de maíz, una contraparte 10,000 veces más viscosa del agua que infestan las larvas, para recrear los mismos efectos físicos.
Con estos modelos, podrían hacer que las larvas modelo hicieran golpes que involucraran diferentes combinaciones de rigidez de la cola y movimiento de flexión. Incluso corrieron con varios robots, cada uno con ligeras modificaciones en su rigidez de la cola.
"En muchos casos, tratamos de replicar la naturaleza en robots. Esto fue muy diferente", dijo Krishnamurthy. "A primera vista, parece que estoy tratando de hacer un robot que nade como un parásito, pero ella verdad es que fue exactamente lo contrario: estaba construyendo un robot para comprender realmente cómo nada el parásito biológico "
Lo que estos modelos y varias modificaciones revelaron es que el verdadero golpe de natación de las larvas fue de hecho la versión óptima
Prakash y Krishnamurthy han estado en Madagascar recolectando caracoles infectados y estudiando la ecología de este parásito en aguas abiertas en aldeas rurales. Esperan que su trabajo dentro y fuera del laboratorio les ayude a comprender cómo estos parásitos encuentran humanos y les den un pasomás cerca de una solución ecológica a esta enfermedad generalizada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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