Por vários anos Manu Prakash, um professor assistente de bioengenharia, foi para sites de campo para testar novos, microscópios de baixo custo como ferramenta para o diagnóstico da doença parasitária esquistossomose. Os dispositivos mostraram-se promissores, mas Prakash estava perplexo com a frequência com que as crianças tratadas para a doença eram reinfectadas. Prakash rapidamente voltou sua atenção para a prevenção de infecções em primeiro lugar.

Esse novo enfoque levou sua equipe a pensar em uma questão fundamental no ciclo de transmissão:como esse parasita realmente se move em águas abertas para infectar um hospedeiro humano? Eles esperam que, ao compreender a biofísica de como esse parasita nada, pode ser possível impedir o movimento e impedir a infecção. Os resultados deste estudo foram publicados na edição de 31 de outubro de Física da Natureza .

“Começamos a pensar no contexto ecológico do ciclo da esquistossomose quando, no campo, estávamos vendo o terrível trauma que inflige nas pessoas, "disse Prakash, autor sênior do estudo. "Ela se manifesta por longos períodos de tempo, e se o corpo de água perto de você estiver infectado, há uma probabilidade muito alta de contrair a doença. Então, efetivamente, você pode tomar medicamentos que podem curá-lo por algum tempo, mas você é reinfectado novamente. "

Uma doença debilitante

As pessoas são infectadas com esquistossomose quando a forma larval do parasita deixa o caracol de água doce hospedeiro, nada na água e penetra na pele humana. Uma vez em uma pessoa, as larvas se transformam em esquistossomos adultos. Os parasitas fêmeas mais tarde liberam ovos, que são eliminados do corpo através da urina e das fezes ou presos nos tecidos corporais, desencadeando uma resposta imune e danos a órgãos em grande escala. Quando os ovos da urina ou das fezes entram em um corpo de água com os hospedeiros do caracol de água doce, o ciclo começa novamente.

A infecção por esquistossomose freqüentemente produz dor abdominal, diarreia e sangue nas fezes ou na urina. Também pode causar deficiências de aprendizagem em crianças e incapacidade de trabalhar em adultos, o que aprisiona famílias em um ciclo de pobreza. Ao longo dos anos, adultos podem desenvolver câncer de bexiga ou danos renais graves, o que reduz sua qualidade de vida. Em alguns casos, a doença resulta em morte.

A Organização Mundial da Saúde (OMS) estima que 258 milhões de pessoas necessitaram de tratamento preventivo para esquistossomose em 2014, com uma estimativa de 20, 000 mortes. Tal como acontece com muitas outras doenças tropicais negligenciadas, A esquistossomose afeta desproporcionalmente as pessoas que vivem na pobreza. Essas pessoas são mais propensas a serem vulneráveis ​​à infecção porque muitas vezes têm menos acesso a saneamento adequado ou a água potável para beber, tarefas, lazer, pesca ou agricultura. Mesmo depois do tratamento, as pessoas são freqüentemente reinfectadas por meio de seu contato constante com água contaminada.

Onde começar

Prakash decidiu investigar como as larvas da esquistossomose nadam para encontrar um hospedeiro humano. Esta é uma pergunta valiosa porque, em sua forma larval, o parasita não tem mecanismo de alimentação e deve encontrar um hospedeiro em cerca de 12 horas ou morrerá. Parece lógico, então, que as larvas provavelmente têm algum especial, habilidades de natação extremamente eficientes. Acontece que esse palpite está correto.

"Isso era diferente de tudo que eu tinha visto antes, "disse Deepak Krishnamurthy, estudante de doutorado no Prakash Lab e principal autor do estudo. "Quando eu olhei para este parasita, Fiquei fascinado com o fato de que ele estava nadando de uma maneira completamente diferente em comparação com qualquer outro microrganismo que eu conhecia. O parasita tinha uma misteriosa cauda bifurcada, algo que nunca foi visto antes em qualquer outro microorganismo nadador. "

Os pesquisadores usaram três abordagens diferentes para investigar esta estranha braçada de natação. Eles fotografaram larvas de parasitas vivas com microscopia de alta velocidade, eles criaram um modelo matemático para entender como o parasita interagia com o fluido circundante, e, finalmente, eles traduziram esse modelo em um nadador robótico ampliado como uma extensão física para aprender mais sobre os parâmetros físicos em jogo.

O nadador T

Ao observar as larvas, a equipe notou alguns estilos de natação que as larvas da esquistossomose empregam em diferentes situações, e que diferem principalmente na posição da cauda bifurcada. Daqueles, um se destacou como único. Neste golpe, as larvas projetam a cauda perpendicularmente ao corpo, como a letra T, levando os pesquisadores a apelidá-los de nadadores T.

As larvas mudam para natação T quando se movem contra a gravidade, o que eles parecem fazer para estar perto da superfície da água, onde é mais provável que encontrem um hospedeiro humano. O vídeo de alta velocidade de larvas vivas nadando permitiu aos pesquisadores examinar em profundidade como funciona esse novo estilo de natação.

"Passamos incontáveis ​​horas observando centenas desses parasitas nadando - é como uma obsessão, "disse Yorgos Katsikis, um ex-aluno de doutorado no Prakash Lab e co-autor deste estudo. "Então, desenvolvemos algoritmos de processamento de imagem que processariam esses dados automaticamente, sem qualquer tendência experimental."

Esses algoritmos personalizados revelaram em detalhes a cinemática exata de como as larvas dobram o corpo e giram a cabeça, quão rápido eles se movem e como eles aceleram, desaceleram e perturbam o fluido circundante.

Criação de modelos

Em paralelo com as observações diretas, os pesquisadores desenvolveram vários modelos matemáticos e robóticos de como um nadador T poderia nadar. As representações matemáticas parecem três hastes, um representando a cauda bifurcada da larva e os outros dois sua cauda e corpo curvados. Os robôs foram estruturados de forma semelhante e nadaram através de xarope de milho, a 10, Contraparte 000 vezes mais viscosa à água que as larvas infestam, para recriar os mesmos efeitos físicos.

Com esses modelos, eles podiam fazer as larvas modelo darem golpes que envolviam combinações variadas de rigidez da cauda e movimento de flexão. Eles até correram com vários robôs, cada um com pequenas modificações na rigidez da cauda.

"Em muitos casos, tentamos replicar a natureza em robôs. Isso era muito diferente, "disse Krishnamurthy." Em face disso, parece que estou tentando fazer um robô que nada como um parasita, mas a verdade é que era exatamente o oposto:eu estava construindo um robô para realmente entender como o parasita biológico nada. "

O que esses modelos e várias modificações revelaram é que a verdadeira braçada de natação da larva foi, de fato, a versão ideal.

Prakash e Krishnamurthy estiveram em Madagascar coletando caramujos infectados e estudando a ecologia desse parasita em águas abertas em vilas rurais. Eles esperam que seu trabalho dentro e fora do laboratório os ajude a entender como esses parasitas encontram os humanos e os aproxime um passo de uma solução ecológica para essa doença generalizada.