Durante varios años Manu Prakash, un profesor asistente de bioingeniería, ha ido a sitios de campo para probar nuevos, microscopios de bajo costo como herramienta para el diagnóstico de la enfermedad parasitaria esquistosomiasis. Los dispositivos se mostraron prometedores, pero Prakash estaba perplejo por la frecuencia con la que los niños tratados por la enfermedad se volvían a infectar. Prakash rápidamente centró su atención en prevenir infecciones en primer lugar.

Este nuevo enfoque llevó a su equipo a pensar en una pregunta fundamental en el ciclo de transmisión:¿cómo se mueve realmente este parásito en aguas abiertas para infectar a un huésped humano? Esperan que al comprender la biofísica de cómo nada este parásito, podría ser posible obstaculizar el movimiento y frustrar la infección. Los resultados de este estudio aparecen en la edición del 31 de octubre de Física de la naturaleza .

"Empezamos a pensar en el contexto ecológico del ciclo de la esquistosomiasis cuando, en el campo, estábamos viendo el terrible trauma que inflige a las personas, "dijo Prakash, autor principal del estudio. "Se manifiesta durante largos períodos de tiempo, y si el cuerpo de agua cercano a usted está infectado, Existe una probabilidad muy alta de que contraiga la enfermedad. Entonces, efectivamente, puede tomar medicamentos que podrían curarlo durante algún tiempo, pero se vuelve a infectar ".

Una enfermedad debilitante

Las personas se infectan con esquistosomiasis cuando la forma larvaria del parásito abandona el caracol huésped de agua dulce. nada a través del agua y penetra la piel humana. Una vez en una persona las larvas se convierten en esquistosomas adultos. Los parásitos hembras luego liberan huevos, que se eliminan del cuerpo a través de la orina y las heces o quedan atrapadas en los tejidos corporales, desencadenando una respuesta inmune y daño orgánico a gran escala. Cuando los huevos de la orina o las heces ingresan a un cuerpo de agua con los hospedadores de caracol de agua dulce, el ciclo comienza de nuevo.

La infección por esquistosomiasis a menudo produce dolor abdominal, diarrea y sangre en las heces u orina. También puede causar deficiencias de aprendizaje en los niños y una incapacidad para trabajar en los adultos que atrapa a las familias en un ciclo de pobreza. A través de los años, los adultos pueden desarrollar cáncer de vejiga o daño renal severo, lo que reduce su calidad de vida. En algunos casos, la enfermedad provoca la muerte.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) estima que 258 millones de personas requirieron tratamiento preventivo para la esquistosomiasis en 2014, con un estimado de 20, 000 muertes. Como ocurre con muchas otras enfermedades tropicales desatendidas, La esquistosomiasis afecta de manera desproporcionada a las personas que viven en la pobreza. Estas personas tienen más probabilidades de ser vulnerables a la infección porque a menudo tienen menos acceso a un saneamiento adecuado o a agua potable para beber. tareas, recreación, pesca o agricultura. Incluso después del tratamiento, las personas a menudo se vuelven a infectar a través de su contacto constante con agua contaminada.

Donde empezar

Prakash decidió investigar cómo nadan las larvas de esquistosomiasis para encontrar un huésped humano. Esta es una pregunta valiosa porque, en su forma larvaria, el parásito no tiene mecanismo de alimentación y debe encontrar un huésped en aproximadamente 12 horas o morirá. Es lógico, luego, que las larvas probablemente tengan algo especial, habilidades de natación extremadamente eficientes. Resulta que la corazonada es correcta.

"Esto no se parecía a nada que hubiera visto antes, "dijo Deepak Krishnamurthy, estudiante de doctorado en el Prakash Lab y autor principal del estudio. "Cuando miré este parásito, Estaba fascinado por el hecho de que nadaba de una manera completamente diferente en comparación con cualquier otro microorganismo que conociera. El parásito tenía una misteriosa cola bifurcada, algo que nunca antes se había visto en ningún otro microorganismo nadador ".

Los investigadores utilizaron tres enfoques diferentes para investigar este extraño estilo de natación. Obtuvieron imágenes de larvas de parásitos vivos con microscopía de alta velocidad, crearon un modelo matemático para comprender cómo interactuaba el parásito con el fluido circundante, y finalmente tradujeron ese modelo en un nadador robótico ampliado como una extensión física para aprender más sobre los parámetros físicos en juego.

El T-nadador

Mientras observa las larvas, el equipo notó algunos estilos de natación que emplean las larvas de esquistosomiasis en diferentes situaciones, y que difieren principalmente en la posición de la cola bifurcada. De aquellos, uno se destacó como único. En este golpe las larvas sacan la cola perpendicular al cuerpo, como la letra T, lo que llevó a los investigadores a llamarlos nadadores T.

Las larvas cambian a la natación en T cuando se mueven contra la gravedad, que parecen hacer para estar cerca de la superficie del agua, donde es más probable que encuentren un huésped humano. Un video de alta velocidad de larvas vivas nadando permitió a los investigadores examinar en profundidad cómo funciona este novedoso estilo de natación.

"Pasamos incontables horas viendo nadar a cientos de estos parásitos; es como una obsesión, "dijo Yorgos Katsikis, ex estudiante de doctorado en el Prakash Lab y coautor de este estudio. "Luego, desarrollamos algoritmos de procesamiento de imágenes que procesarían estos datos automáticamente sin ningún sesgo experimental".

Estos algoritmos personalizados revelaron en detalle la cinemática exacta de cómo las larvas doblan su cuerpo y giran la cabeza. qué tan rápido se mueven y cómo aceleran y desaceleran y perturban el fluido circundante.

Creando modelos

En paralelo con las observaciones directas, los investigadores desarrollaron múltiples modelos matemáticos y robóticos sobre cómo podía nadar un nadador T. Las representaciones matemáticas parecen tres varillas, uno representa la cola bifurcada de las larvas y los otros dos su cuerpo y cola doblados. Los robots estaban estructurados de manera similar y nadaban a través de jarabe de maíz, un 10, 000 veces más viscosa que el agua que infestan las larvas, para recrear los mismos efectos físicos.

Con estos modelos, podían hacer que las larvas modelo hicieran golpes que implicaran combinaciones variables de rigidez de la cola y movimiento de flexión. Incluso corrieron con varios robots, cada uno con ligeras modificaciones en la rigidez de la cola.

"En muchos casos, intentamos replicar la naturaleza en robots. Esto fue muy diferente ", dijo Krishnamurthy." A primera vista, parece que estoy intentando hacer un robot que nada como un parásito, pero la verdad es que fue exactamente lo contrario:estaba construyendo un robot para comprender realmente cómo nada el parásito biológico ".

Lo que estos modelos y varias modificaciones revelaron es que la brazada de nado real de las larvas era de hecho la versión óptima.

Prakash y Krishnamurthy han estado en Madagascar recolectando caracoles infectados y estudiando la ecología de este parásito en aguas abiertas en aldeas rurales. Esperan que su trabajo dentro y fuera del laboratorio les ayude a comprender cómo estos parásitos encuentran a los humanos y los acerque un paso más a una solución ecológica a esta enfermedad tan extendida.