Mücken: das tödlichste Tier der Welt. Diese winzigen fliegenden Insekten sind Überträger von Dengue-Fieber, Gelbfieber, Zika, Malaria und vielen anderen Krankheiten, die Millionen von Menschen auf der ganzen Welt betreffen, mit einer erheblichen Morbiditäts- und Mortalitätsbelastung. Da sie Krankheiten übertragen, wenn sie Menschen beißen, ist es wichtig, ihr Fressverhalten zu verstehen, um den Schaden, den sie anrichten, zu verringern.
Aber wie kann man das Fressverhalten von Mücken untersuchen, ohne ihnen eine Lebendmahlzeit zu geben? Eine Zusammenarbeit zwischen der Rice University und der Tulane University in den USA hat ein Biomaterial entwickelt, das die Notwendigkeit menschlicher Freiwilliger oder Versuchstiere in der Mückenstichforschung beseitigen könnte.
„Mehrere Gruppen haben sich der Suche nach Wegen verschrieben, um das Stechen von Mücken zu stoppen, aber neue Abwehrmittel auf den Markt zu bringen, ist eine Herausforderung“, sagte Prof. Omid Veiseh von der Rice University, korrespondierender Autor der in veröffentlichten Studie Grenzen in Bioengineering und Biotechnologie. „Diese Studie versucht, den Testdurchsatz zu erhöhen und die Abhängigkeit von menschlichen Freiwilligen und Versuchstieren zu verringern.“
Hydrogele imitieren Menschen
Das Team entwickelte eine Plattform, die 3D-biogedruckte Hydrogele, die die menschliche Haut nachahmen sollen, mit Videoüberwachung und Computer-Vision-Techniken zur Analyse der Daten kombinierte. Die Moskitos wurden gefilmt, während sie sich von dem in den Hydrogelen durchströmten Blut ernährten, und die Daten wurden verwendet, um ein maschinelles Lernmodell zu trainieren, das zwischen Moskitos, die sich von den Hydrogelen ernährt hatten, und Moskitos, die dies nicht getan hatten, unterschied. Dies erleichterte die schnelle und effektive Analyse von Daten über eine große Anzahl fressender Mücken mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 92,5 %.
Die Hydrogele können mit verschiedenen Arten von Blut und anderen Flüssigkeiten perfundiert werden, was es ermöglicht, verschiedene Mückenarten zu untersuchen, die sich von verschiedenen Arten von Beute ernähren. Es ermöglichte den Wissenschaftlern auch, das Modell zu validieren, indem sie es mit verschiedenen Flüssigkeiten perfundierten, um zu zeigen, dass die Mücken vom Blut angezogen wurden.
Repellentien für Straßentests
Das Team testete das Biomaterial, indem es Experimente durchführte, in denen die Mückenreaktion mit Sätzen aus einfachen Hydrogelen, mit DEET beschichteten Hydrogelen und mit einem Abwehrmittel auf Pflanzenbasis beschichteten Hydrogelen verglichen wurde. Alle Hydrogele wurden mit auf 37 Grad Celsius erhitztem Blut perfundiert. Keine der Moskitos, denen abwehrmittelbeschichtete Hydrogele verabreicht wurden, ernährte sich von dem Blut, während 13,8 % der Moskitos im Kontrollkäfig dies taten.
Obwohl dies ein relativ geringer Anteil ist, schlugen die Autoren vor, dass dies auf die begrenzte Oberfläche des Hydrogels zurückzuführen sein könnte, die durch Skalierung gelöst werden könnte. Einer der Vorteile der Hydrogele besteht darin, dass sie in großen Mengen zu geringen Kosten hergestellt und gekühlt werden können, bis sie benötigt werden.
Obwohl die Plattform für den Einsatz im Labor optimiert ist, schlugen die Autoren vor, dass es möglich sein könnte, sie für den Einsatz in freier Wildbahn anzupassen und die realen Bedingungen der Krankheitsübertragung besser nachzuahmen. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass dies zusätzliche Arbeit erfordern würde.
„Alle Experimente verwendeten Laborstämme von Moskitos, und die meisten betrafen eine bestimmte Art: Aedes aegypti, den Vektor des Gelbfiebervirus, Dengue-Virus, Zika-Virus und andere“, sagte Prof. Dawn Wesson, Tulane University, co- korrespondierender Autor. „Es kann einige Zeit dauern, unsere experimentelle Plattform und unser maschinelles Lernmodell zu optimieren, um andere Arten zu untersuchen. Da sich das Verhalten von Laborstämmen manchmal von dem von in freier Wildbahn gefundenen Mücken unterscheidet, wäre es außerdem wichtig, unsere Ergebnisse an wilden Mückenpopulationen zu validieren .“
„Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass unsere experimentelle Plattform vergrößert und angepasst werden könnte, um verschiedene Verbindungen auf ihre Wirkung auf Mücken zu untersuchen“, sagte Veiseh und freute sich auf zukünftige Forschung.
„Außerdem kann das von uns entwickelte maschinelle Lernmodell die experimentelle Analyse automatisieren und viel schneller und konsistenter Ergebnisse liefern, als es ein Mensch könnte“, fügte Dr. Kevin Janson, Erstautor der Studie, hinzu. „Wir hoffen, dass diese Plattform schnell vielversprechende Kandidaten für wirksamere Abwehrmittel identifizieren kann, um die Ausbreitung von Krankheiten in Zukunft zu verringern.“
Mehr Informationen:
Kevin Janson et al, Entwicklung einer automatisierten Biomaterialplattform zur Untersuchung des Mückenfütterungsverhaltens, Grenzen in Bioengineering und Biotechnologie (2023). DOI: 10.3389/fbioe.2023.1103748