Quando il virus del Nilo occidentale (WNV) è stato inizialmente isolato in due pazienti al Queens, N.Y., ospedale nell'estate del 1999, sarebbe stato difficile prevedere quanto velocemente una specie comune di zanzara domestica, Culex pipiens, aiuterebbe a iniziare a diffondere il virus in tutto l'emisfero occidentale.

morso per morso, da costa a costa, popolazioni di zanzare trasmetterebbero il virus, scoperto originariamente nella provincia del Nilo occidentale dell'Uganda più di 75 anni fa, alle popolazioni umane in 44 stati degli Stati Uniti in soli tre anni.

Con più di 2, 500 diverse specie di zanzare conosciute oggi sulla Terra, rimangono molte sfide per gli entomologi e gli esperti di controllo delle malattie che mirano a monitorare l'evoluzione delle popolazioni di zanzare e le malattie infettive trasmesse dalle zanzare, che colpiscono quasi 700 milioni di persone in tutto il mondo e provocano oltre 1 milione di decessi umani ogni anno.

I fisici stanno ora esplorando la tecnologia basata sul laser tradizionalmente utilizzata per studiare le condizioni nell'atmosfera, come il rilevamento della luce e l'intervallo (LIDAR), per far luce sulle caratteristiche più sottili dell'attività delle zanzare e monitorare meglio le popolazioni che possono portare una minaccia virale.

Un'indagine condotta da Benjamin Thomas, assistente professore di fisica presso NJIT, ha adottato l'uso di LIDAR, una tecnologia di telerilevamento ottico a infrarossi in grado di catturare la velocità con cui le zanzare battono le ali in volo, nota come frequenza del battito delle ali (WBF).

Comprendendo le variazioni di WBF nelle zanzare, Il laboratorio di Thomas sta imparando due caratteristiche chiave che possono aiutare a distinguere quali zanzare possono essere vettori di malattie infettive, da quelli che non lo sono:specie e genere.

"Le zanzare rimangono di gran lunga l'animale più mortale sulla Terra, " disse Thomas. "Purtroppo, i nostri attuali metodi per tracciare e raccogliere dati su di essi in genere costano molto in termini di tempo e risorse, quindi ci sono mancati molti dati entomologi su molte specie e le loro popolazioni femminili, che sono tipicamente trasmettitori di malattie."

Le attuali strategie, come le trappole fisiche a base di feromoni, sono state utilizzate per studiare accuratamente le popolazioni di zanzare su piccola scala. Però, Thomas afferma che il lavoro del suo team potrebbe aiutare a colmare il divario di dati entomologi su larga scala, offrendo ai ricercatori un modo migliore per esaminare l'evoluzione più ampia delle popolazioni di insetti e dei loro ecosistemi, oltre a monitorare la diffusione delle malattie trasmesse dalle zanzare".

"In casi come l'epidemia di Zika, per lo più ne seguivamo la diffusione seguendo le segnalazioni di malattie, lasciandoci sempre un passo indietro rispetto alle zanzare che trasmettono il virus, " ha detto Thomas. "Stiamo sviluppando un nuovo strumento ottico in grado di scansionare l'ambiente e misurare centinaia di insetti all'ora in tempo reale. Questo potrebbe darci un metodo migliore per raccogliere dati entomologi su larga scala aiutandoci a tenere traccia di specie specifiche che sappiamo essere pericolose in risposta a un focolaio".

Registrazione del ritmo delle zanzare

Sebbene sia le zanzare maschi che quelle femminili abbiano un'anatomia simile a una bocca, solo le zanzare femmine possiedono mandibole in grado di perforare la pelle dei mammiferi per succhiare il sangue, un adattamento che serve a fornire i nutrienti necessari per la riproduzione. Poiché le zanzare femmine estraggono esclusivamente il sangue dagli esseri umani in questo modo, identificarli tra popolazioni più grandi è un passo importante verso il monitoraggio di potenziali trasmettitori di malattie.

L'approccio laser di Thomas può identificare con precisione i WBF di zanzara femmina, che in genere ha una media di circa 500 battiti d'ala al secondo, dai WBF delle loro controparti maschili, che normalmente sono in media 600 battiti d'ala al secondo.

"Nel nostro laboratorio, le zanzare sono poste in un involucro tubolare e transiteranno attraverso il percorso laser del nostro strumento, e in base al loro movimento d'ala, produrranno una specifica firma di luce che si rifletterà verso lo strumento, " ha spiegato Thomas. "Quella retrodiffusione della luce contiene le informazioni di cui abbiamo bisogno per identificare qualunque cosa attraversi il raggio ... se si tratta di un'ape, una mosca domestica, una zanzara maschio o una zanzara femmina. Accanto al nostro laser, abbiamo un telescopio che raccoglie tutta questa luce e possiamo analizzare quei dati in tempo reale".

In esperimenti controllati in laboratorio, Il team di Thomas ha testato la capacità del suo sistema di distinguere accuratamente tra zanzare maschi e femmine di quattro specie diverse che sono state precedentemente identificate come vettori di malattie: Aedes albopictus , Aedes Vexans , Aedes aegypti e un'altra specie di Culex genere.

Nelle prove, lo strumento si è dimostrato in grado di identificare il genere della zanzara con una precisione del 96,5%. Però, una prospettiva più complicata per il laboratorio di Thomas è stata l'identificazione di specie di insetti; attualmente, il laboratorio può identificare le specie di zanzara con una precisione del 75%. In un recente studio, pubblicato in Atti del convegno di SPIE , Il team di Thomas ha iniziato a esplorare nuovi parametri ottici per caratterizzare meglio la forma e il colore degli insetti, che potrebbe migliorare l'identificazione generale delle specie.

"Il nostro sistema laser ora incorpora due diverse lunghezze d'onda infrarosse all'interno dello stesso percorso ottico, quindi a seconda se una specie è marrone, nero o rigato, influenzerà la potenza del segnale di ritorno da uno dei due canali in modo diverso, " ha detto Thomas. "Abbiamo anche iniziato a misurare come la luce è polarizzata per capire meglio la superficie e la forma degli insetti. Ad esempio, semplicemente misurando la polarizzazione della luce che ci ritorna, ora possiamo dire se le zanzare trasportano uova o no".

Il laboratorio di Thomas sta ora ottimizzando il suo approccio per l'uso sul campo, lavorando non solo per migliorare ulteriormente l'accuratezza dell'identificazione delle specie, ma anche per migliorare la portata del telescopio del suo sistema. Il team sta espandendo la portata del suo telescopio per la raccolta della luce dall'attuale raggio di 100 metri a poche centinaia di metri per raccogliere dati da ambienti esterni in cui vivono popolazioni di zanzare più numerose. Con test di sicurezza e perfezionamenti alla progettazione in corso, Thomas afferma che i test sul campo potrebbero iniziare già nel 2019.

"Una volta che il nostro strumento è schierato sul campo, potremmo idealmente raccogliere dati tramite una connessione Internet nel corso di pochi giorni, " ha detto Thomas. "Questo potrebbe fornirci un'enorme quantità di informazioni sulle zanzare e altri insetti nell'ambiente. A lungo termine, studi futuri potrebbero persino dirci come si sta evolvendo la distribuzione spaziale di una determinata popolazione a causa del cambiamento climatico».