Микрофлюидная платформа имитирует кровяную среду для мониторинга распространения паразита клещами

Бабéзиоз — инфекционное заболевание, которое проявляется как малярия и распространяется как болезнь Лайма. Ранее редкое в США, оно становится всё более распространённым, особенно на северо-востоке, в Средне-Атлантическом регионе и на Верхнем Среднем Западе.

Чтобы помочь учёным больше узнать о бабезиозе, исследователи из Университета Карнеги-Меллон разработали новую платформу для мониторинга инфекции в эритроцитах.

Заболевание вызывается паразитом Babesia microti, который обитает в крови грызунов. Он передаётся, когда клещ кусает инфицированного грызуна, а затем человека. Паразит попадает в кровоток, заражая и повреждая эритроциты.

Ранняя и точная диагностика критически важна для доступных методов лечения. Бабезиоз может протекать бессимптомно или вызывать гриппоподобные симптомы, которые могут быть тяжёлыми у пожилых и людей с ослабленным иммунитетом.

Механизмы передачи и заражения паразита плохо изучены. В журнале Advanced Science Тэгбо Ньепа и его коллеги представляют микрофлюидную систему, которую можно использовать для изучения Babesia microti.

Выращивание паразита вне системы хозяина является сложной задачей, поэтому традиционные методы изучения инфекционных заболеваний полагаются на модели животных. «Мы хотели создать инструмент, в котором паразит может обитать и оставаться жизнеспособным, чтобы его можно было изучать in vitro», — говорит Ньепа, доцент химической и биомедицинской инженерии.

Лаборатория μBiointerface Lab Ньепы разрабатывает микрофлюидные платформы для культивирования микроорганизмов в условиях, близких к естественным. Микроорганизмы ведут себя в лабораторных условиях иначе, чем в природной среде, что было серьёзным ограничением для экспериментов in vitro.

Чтобы лучше изучить жизненный цикл Babesia microti, исследователи создали платформу, которая поддерживает для паразита микроокружение цельной крови. В числе соавторов — Чао Ли, научный сотрудник лаборатории Ньепы на момент исследования, и Даниэль Тафтс, доцент инфекционных болезней, микробиологии и иммунологии в Питтсбургском университете.

Их технология функционализирует гидрофобные и гидрофильные свойства поверхности. Точным размещением масла и воды они могут создать микроскопический канал, как раз достаточный для одного слоя эритроцитов.

«Вы можете наблюдать монослой клеток и видеть динамику инфекции Babesia с течением времени», — говорит Ньепа. Поскольку открытая микрофлюидная система обеспечивает лучший физический и оптический доступ к образцам, чем закрытые платформы, учёные могут оценивать Babesia microti в отдельных клетках.

Платформа упрощает идентификацию паразита, измерение его плотности в крови и отслеживание повреждения инфицированных эритроцитов. Ньепа и коллеги окрасили Babesia microti так, что они стали флуоресцировать на изображениях конфокальной микроскопии, обеспечивая чёткий контраст с эритроцитами.

Ньепа работает над интеграцией платформы с автоматизированной работой устройства, визуализацией и анализом изображений с помощью ИИ. Высококачественные конфокальные изображения дороги и требуют дней сбора данных по сравнению с быстрым и недорогим тестом, используемым в больницах. Примерно за пять минут врач может использовать стандартный микроскоп для поиска Babesia microti в мазке крови из одной капли.

Ньепа видит потенциал ИИ для оптимизации их более совершенного процесса, увеличения скорости обнаружения и предоставления медицинскому сообществу больше информации об уровне инфекции.

«Предстоит ещё много характеристик», — говорит Ньепа. Например, хотя известно, что Babesia microti заражает грызунов и людей, олени, которые переносят и распространяют клещей, не инфицированы. «Это порождает интересные биологические вопросы, которые будет легче изучать на нашей платформе in vitro, чем на моделях животных».

Концентрация клеток в образце крови естественным образом снижается со временем, и в системе Ньепы и Ли образцы сохраняются в течение 72 часов. Лаборатория μBiointerface Lab работает над улучшениями платформы, которые позволят оценивать жизнеспособность паразита в течение недели, превосходя современные аналоги.