Jade Boyd ‐ Ngày 09/02/2023
Một công cụ mới vừa ra mắt có thể giúp ích trong việc thử nghiệm hành vi đốt mồi của muỗi thay vì phải sử dụng các tình nguyện viên. Nếu bạn cảm thấy quá mất thời gian vì phải ngồi hơn 30 giờ đồng hồ để theo dõi hành vi đốt mồi của các loài động vật hút máu, đừng lo, vì từ nay rô‐bốt có thể làm thay bạn.
Các kỹ sư sinh học của Đại học Rice đã hợp tác với các chuyên gia y học nhiệt đới của Đại học Tulane để giảm bớt đau đớn cho các tình nguyện viên khi nghiên cứu hành vi đốt mồi của muỗi. Các vết đốt của loài côn trùng này có thể lan truyền các bệnh như sốt rét, sốt xuất huyết và sốt vàng, nhưng việc thiết lập các thử nghiệm để theo dõi hành vi của chúng là một khoản chi không hề nhỏ đối với ngân sách phòng thí nghiệm.
Kevin Janson, một nghiên cứu sinh về kỹ thuật sinh học của Rice và là tác giả chính của một nghiên cứu được xuất bản tuần này trong tạp chí Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, cho biết: “Nhiều thí nghiệm về muỗi vẫn phụ thuộc vào các tình nguyện viên con người và đối tượng động vật”. Thử nghiệm đối tượng sống có thể rất tốn kém, và Janson cho biết”dữ liệu có thể mất nhiều giờ để xử lý”.
Hình 1
Các kỹ sư sinh học của đại học Rice Kevin Janson (bên trái) và Omid Veiseh cùng một mẫu “danhân tạo” ‐ chính là cấu trúc hydrogel được in 3D với các đường ốngdẫn cho dòng máu lưu thông ‐ giống như những mẫu được sử dụng trong một thiết bị mới đượchọ tạo ra cùng với các chuyên gia y học nhiệt đới tại Đại học Tulane để nghiên cứu hành vi đốt mồi của muỗi. (Ảnh chụp bởi Brandon Martin / Đại học Rice)
Hình 2
Vì vậy, anh và các đồng tác giả của mình đã tìm cách tự động hóa việc thu thập và xử lý dữ liệu đó bằng cách sử dụng các máy ảnh giá rẻ và phần mềm học máy (machine‐learning). Để loại bỏ việc phải có các tình nguyện viên thực hiện, hệ thống của họ sử dụng các miếng da nhân tạo được tạo ra bằng máy in 3D. Mỗi miếng hydrogelgiống như thạch (gelatin) có các đường dẫn nhỏ có thể dẫn máu chảy vào.
Để tạo ra những thành phần thay thế cho da, nhóm của Rice, bao gồm Janson và người hướng dẫn Tiến sĩ Omid Veiseh, đã sử dụng các kỹ thuật in sinh học (bioprinting) được sử dụng lần đầu trong phòng thí nghiệm của giáo sư Jordan Miller từng làm việc tại Rice.
Hình 3
Các kỹ sư sinh học của Đại học Rice đã hợp tác với các chuyên gia y học nhiệt đới từ Đại học Tulane để tạo ra một công cụ công nghệ cao để nghiên cứu hành vi đốt mồi của muỗi, sử dụng miếng hydrogel được dẫn máu vào tạo ra từ máy in 3D như là da nhân tạo (ảnhtrên) và kết hợp với máy ảnh tự động và phần mềm học máy (ảnh dưới) để tăng tốc việc thu thập và xử lý dữ liệu (Hình minh họa do K. Janson / Đại học Rice cung cấp).
Để thiết lập thử nghiệm đốt mồi, tối đa có thể đặt tới sáu miếng hydrogel trong một hộp nhựa trong suốt có kích thước tương đương một quả bóng chuyền. Các hộp nhựa này được bao quanh bởi các máy ảnh hướng vào từng miếng da nhân tạo được dẫn máu vào. Muỗi được đưa vào hộp nhựa, và máy ảnh ghi lại tần suất những con muỗi đáp xuống từng vị trí, thời gian muỗiđậu, muỗi có cắn hay không, thời gian đốt bao lâu và các thuộc tính tương tự.
Hệ thống này đã được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm của Dawn Wesson, một chuyên gia muỗi và giảng viên môn y học nhiệt đới tại Trường Y tế Công cộng và Y học Nhiệt đới của Đại học Tulane. Nhóm nghiên cứu của Wesson có các cơ sở nuôi và thử nghiệm các quần thể muỗi lớn thuộcnhiều loài khác nhau.
Hình 4
Trong các thử nghiệm chứng minh khái niệm được giới thiệu trong nghiên cứu, Wesson, Janson và các đồng tác giả đã sử dụng hệ thống này để kiểm tra hiệu quả của các loại chất xua muỗi hiện có được làm từ DEET hoặc một chất xua muỗi gốc thực vật dẫn xuất từ dầu cây bạch đàn chanh. Các thử nghiệm đã cho thấy muỗi dễ dàng hút máu trên các miếng hydrogel không có chất xua muỗi nào và tránh xa các miếng hydrogel được phủ một trong hai loại chất xua muỗi. Trong khi DEET có hiệu quả hơn một chút, cả hai thử nghiệm đều cho thấy mỗi chất xua muỗi đều làm muỗi tránh xa các tấm hydrogel.
Veiseh, tác giả liên hệ của nghiên cứu và là giảng viên kỹ thuật sinh học tại Trường Kỹ thuật George R. Brown của Đại học Rice, cho biết kết quả này cho thấy hệ thống thử nghiệm hành vi có thể được mở rộng để thử nghiệm hoặc khám phá các chất xua muỗi mới và để nghiên cứu hành vi của muỗi một cách rộng mở hơn. Ông nói rằng hệ thống này cũng có thể mở ra cánh cửa cho các thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm mà trước đây không đủ kinh phí đầu tư được.
Sinh viên nghiên cứu sau đại học chuyên ngành kỹ thuật sinh học Kevin Janson đã kết hợp da nhân tạo in 3D, máy ảnh tự động và phần mềm học máy để loại bỏ nhu cầu sử dụng tình nguyện viên và tăng tốc quá trình thu thập và xử lý dữ liệu trong các nghiên cứu về hành vi đốt mồi của muỗi. (Ảnh chụp bởi Brandon Martin / Đại học Rice)
“Thiết bị này cung cấp một phương pháp quan sát đáng tin cậy và được kiểm soát khéo léo,” Veiseh nói. “Hi vọng là các nhà nghiên cứu sẽ có thể sử dụng nó đó để xác định cách ngăn chặn sự lây lan của bệnh trong tương lai.”
Wesson cho biết phòng thí nghiệm của cô đã sử dụng hệ thống này để nghiên cứu sự lan truyền virus dengue, và cô có kế hoạch sử dụng nó trong các nghiên cứu tương lai liên quan đến ký sinh trùng sốt rét.
“Chúng tôi đang sử dụng hệ thống này để xem xét sự lan truyền virus trong quá trình muỗi hút máu,” Wesson nói. “Chúng tôi quan tâm đến cách virus được tiếp nhận bởi muỗi chưa nhiễm và cách virus được truyền đi và lắng xuống, cùng với nước bọt, bởi muỗi bị nhiễm.
Cô cho biết: “Nếu chúng ta hiểu được các cơ chế tinh vi và protein và các phân tử khác liên quan đến quá trình đó, chúng ta có thể phát triển một số phương tiện can thiệp vào những quá trình đó”.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ Robert J. Kleberg, Jr. và Helen C. Kleberg.
