Per diversi anni Manu Prakash, un assistente professore di bioingegneria, è andato ai siti sul campo per testare nuovi, microscopi a basso costo come strumento per la diagnosi della schistosomiasi parassitaria. I dispositivi hanno mostrato la promessa, ma Prakash era perplesso dalla frequenza con cui i bambini trattati per la malattia venivano re-infettati. Prakash ha rapidamente rivolto la sua attenzione alla prevenzione delle infezioni in primo luogo.

Questa nuova attenzione ha portato il suo team a riflettere su una domanda fondamentale nel ciclo di trasmissione:come si muove effettivamente questo parassita in acque libere per infettare un ospite umano? Sperano che, comprendendo la biofisica di come nuota questo parassita, potrebbe essere possibile ostacolare il movimento e contrastare l'infezione. I risultati di questo studio sono pubblicati nel numero del 31 ottobre di Fisica della natura .

"Abbiamo iniziato a pensare al contesto ecologico per il ciclo della malattia della schistosomiasi quando, fuori in campo, stavamo vedendo il terribile trauma che infligge alle persone, " disse Prakash, autore senior dello studio. "Si manifesta per lunghi periodi di tempo, e se il corpo idrico vicino a te è infetto, c'è un'alta probabilità di contrarre la malattia. Così, effettivamente, puoi assumere farmaci che potrebbero curarti per un po' di tempo, ma vieni nuovamente infettato".

Una malattia invalidante

Le persone si infettano con la schistosomiasi quando la forma larvale del parassita lascia l'ospite di lumaca d'acqua dolce, nuota attraverso l'acqua e penetra nella pelle umana. Una volta in una persona, le larve si sviluppano in schistosomi adulti. Le femmine dei parassiti in seguito rilasciano le uova, che vengono espulsi dal corpo attraverso l'urina e le feci o intrappolati nei tessuti corporei, innescando una risposta immunitaria e danni d'organo su larga scala. Quando le uova dall'urina o dalle feci entrano in un corpo idrico con gli ospiti della lumaca d'acqua dolce, il ciclo ricomincia.

L'infezione da schistosomiasi spesso produce dolore addominale, diarrea e sangue nelle feci o nelle urine. Può anche causare carenze di apprendimento nei bambini e l'incapacità di lavorare negli adulti che intrappola le famiglie in un ciclo di povertà. Negli anni, gli adulti possono sviluppare il cancro alla vescica o gravi danni ai reni, che ne riduce la qualità della vita. In alcuni casi la malattia provoca la morte.

L'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) stima che 258 milioni di persone abbiano avuto bisogno di cure preventive per la schistosomiasi nel 2014, con una stima di 20, 000 morti. Come per molte altre malattie tropicali trascurate, la schistosomiasi colpisce in modo sproporzionato le persone che vivono in povertà. Queste persone hanno maggiori probabilità di essere vulnerabili alle infezioni perché spesso hanno meno accesso a servizi igienici adeguati o ad acqua potabile, lavoretti, ricreazione, pesca o agricoltura. Anche dopo il trattamento, le persone vengono spesso reinfettate attraverso il loro costante contatto con l'acqua contaminata.

Dove iniziare

Prakash ha deciso di indagare su come nuotano le larve della schistosomiasi per trovare un ospite umano. Questa è una domanda preziosa perché, nella sua forma larvale, il parassita non ha un meccanismo di alimentazione e deve trovare un ospite entro circa 12 ore o morire. è logico, poi, che le larve probabilmente hanno qualcosa di speciale, abilità di nuoto estremamente efficienti. Si scopre che l'intuizione è corretta.

"Questo era diverso da qualsiasi cosa avessi visto prima, " disse Deepak Krishnamurthy, uno studente di dottorato nel Prakash Lab e autore principale dello studio. "Quando ho guardato questo parassita, Ero affascinato dal fatto che nuotasse in un modo completamente diverso rispetto a qualsiasi altro microrganismo che conoscevo. Il parassita aveva una misteriosa coda biforcuta, qualcosa che non è mai stato visto prima in nessun altro microorganismo nuotatore".

I ricercatori hanno utilizzato tre diversi approcci per studiare questo strano tratto di nuoto. Hanno ripreso larve di parassiti vivi con la microscopia ad alta velocità, hanno creato un modello matematico per capire come il parassita interagiva con il fluido circostante, e infine hanno tradotto quel modello in un nuotatore robotico ingrandito come estensione fisica per saperne di più sui parametri fisici in gioco.

Il nuotatore a T

Osservando le larve, il team ha notato alcuni stili di nuoto che le larve di schistosomiasi impiegano in diverse situazioni, e che differiscono principalmente per la posizione della coda biforcuta. Di quelli, uno si è distinto come unico. In questo tratto, le larve sporgono la coda perpendicolarmente al corpo, come la lettera T, spingendo i ricercatori a soprannominarli nuotatori a T.

Le larve passano al nuoto a T quando si muovono contro la gravità, che sembrano fare per stare vicino alla superficie dell'acqua, dove è più probabile che trovino un ospite umano. Il video ad alta velocità del nuoto vivo delle larve ha permesso ai ricercatori di esaminare in profondità come funziona questo nuovo stile di nuoto.

"Abbiamo passato innumerevoli ore a guardare centinaia di questi parassiti nuotare:è come un'ossessione, " disse Yorgos Katsikis, un ex studente di dottorato nel Prakash Lab e coautore di questo studio. "Poi abbiamo sviluppato algoritmi di elaborazione delle immagini che elaborerebbero questi dati automaticamente senza alcun pregiudizio sperimentale".

Questi algoritmi personalizzati hanno rivelato in dettaglio l'esatta cinematica di come le larve piegano il corpo e ruotano la testa, quanto velocemente si muovono e come accelerano e decelerano e perturbano il fluido circostante.

Creazione di modelli

Parallelamente alle osservazioni dirette, i ricercatori hanno sviluppato più modelli matematici e robotici su come un nuotatore T potrebbe nuotare. Le rappresentazioni matematiche sembrano tre bacchette, uno che rappresenta la coda biforcuta delle larve e gli altri due la coda e il corpo piegati. I robot erano strutturati in modo simile e nuotavano nello sciroppo di mais, un 10, 000 volte più viscoso della controparte dell'acqua infestata dalle larve, ricreare gli stessi effetti fisici.

Con questi modelli, potrebbero fare in modo che le larve modello eseguano colpi che implicavano diverse combinazioni di rigidità della coda e movimento di flessione. Hanno anche corso diversi robot, ciascuno con lievi modifiche nella rigidità della coda.

"In molti casi, cerchiamo di replicare la natura nei robot. Questo era molto diverso, " disse Krishnamurthy. "A prima vista, sembra che sto cercando di creare un robot che nuota come un parassita, ma la verità è che era l'esatto contrario:stavo costruendo un robot per capire effettivamente come nuota il parassita biologico".

Ciò che questi modelli e varie modifiche hanno rivelato è che il vero nuoto delle larve era davvero la versione ottimale.

Prakash e Krishnamurthy sono stati in Madagascar per raccogliere lumache infette e studiare l'ecologia di questo parassita in acque libere nei villaggi rurali. Sperano che il loro lavoro dentro e fuori dal laboratorio li aiuti a capire come questi parassiti trovano gli esseri umani e li avvicinano di un passo a una soluzione ecologica a questa malattia diffusa.