微流体平台模拟血液微环境来监测蜱虫传播的寄生虫

微流控芯片

巴贝斯虫病是一种传染病，其症状类似疟疾，传播方式类似莱姆病。这种疾病在美国曾一度罕见，但现在却越来越普遍，尤其是在东北部、大西洋中部和中西部北部地区。
为了帮助科学家更多地了解巴贝斯虫病，卡内基梅隆大学的研究人员开发了一个监测红细胞感染的新平台。
这种疾病是由寄生虫巴贝斯虫引起的，这种寄生虫生活在啮齿动物的血液中。蜱虫叮咬受感染的啮齿动物，然后再叮咬人类，就会传播这种疾病。寄生虫进入血液，感染并破坏红细胞。
早期准确诊断对于有效治疗至关重要。巴贝斯虫病可能无症状，也可能引起类似流感的症状，对于老年人和免疫功能低下者来说，病情可能较为严重。
这种寄生虫的传播和感染机制尚不清楚。在《先进科学》杂志上，塔格博·涅帕及其同事介绍了一种可用于研究微小巴贝斯虫的微流体系统。
在宿主系统之外培养寄生虫极具挑战性，因此传统的传染病研究方法依赖于动物模型。“我们想制造一种寄生虫能够在其中生存并保持活力的工具，以便进行体外研究，”化学工程和生物医学工程副教授Niepa说道。
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图片来源：卡内基梅隆大学化学工程系
Niepa μ生物界面实验室设计微流体平台，用于在接近天然条件下培养微生物。微生物在实验室条件下的行为与在自然环境中的行为不同，这一直是体外实验的一个重大限制。
为了更好地研究巴贝斯虫的生命周期，研究人员创建了一个平台，用于维持该寄生虫的全血微环境。合作者包括当时在Niepa μBiointerface实验室工作的研究员Chao Li，以及匹兹堡大学传染病、微生物学和免疫学助理教授Danielle Tufts。
他们的技术将表面的疏水和亲水特性功能化。通过精确地放置油和水，他们可以制造出一个微型通道，其大小刚好够容纳一层红细胞。
“你可以观察细胞单层，并观察巴贝斯虫随时间的感染动态，”Niepa说道。由于开放式微流体系统比封闭式微流体平台提供了更好的物理和光学样品获取途径，科学家可以评估单个细胞中的巴贝斯虫。
该平台可以更轻松地识别寄生虫，测量血液中寄生虫的密度，并追踪受感染红细胞的损伤。Niepa 及其同事对微小巴贝斯虫进行了染色，使其在共聚焦显微镜图像中发出荧光，与红细胞形成清晰的对比。
Niepa 正致力于将该平台与自动化设备操作、成像和人工智能图像分析相结合。与医院使用的快速廉价的检测方法相比，高分辨率共聚焦图像价格昂贵，且需要数天的数据收集时间。大约五分钟内，医护人员就可以使用标准显微镜在单滴血涂片中寻找微小巴贝斯虫。
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Niepa 看到了人工智能优化其更先进流程的潜力，提高了检测速度并为医学界提供了更多有关感染程度的信息。
“还有很多特性需要研究，”Niepa 说。例如，虽然已知田鼠巴贝斯虫会感染啮齿动物和人类，但携带和传播蜱虫的鹿却不会受到感染。“这带来了一些有趣的生物学问题，在我们的体外平台上比在动物模型中更容易研究。”
血液样本中的细胞浓度会随着时间的推移自然降低，而在 Niepa 和 Li 的系统中，样本可以保存 72 小时。Niepa μBiointerface 实验室正在开发平台增强功能，使其能够评估寄生虫在一周内的生存能力，从而超越最先进的平台。
更多信息： Chao Li 等，《全血微环境中微小巴贝斯虫感染动力学的体外监测》，《先进科学》（2025）。DOI ：10.1002/advs.202508185
期刊信息： Advanced Science