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觀察（錐蟲）脊椎動物運(yùn)動過程血液對擁擠環(huán)境的適應(yīng)
血液是一個非同尋常的棲息地:它非常粘稠，含有密集的細(xì)胞包裝，并且持續(xù)以三倍以上的速率流動。盡管不斷受到宿主抗體的攻擊，但只有極少數(shù)病原體能夠忍受脊椎動物血液中的惡劣條件并茁壯成長。非洲錐蟲是嚴(yán)格意義上的細(xì)胞外血液寄生蟲，它們通過一個抗原變異和不斷運(yùn)動的系統(tǒng)逃避免疫反應(yīng)。鞭毛蟲究竟是如何在血液中游動的仍有待于闡明。在這里，我們表明錐蟲運(yùn)動的模式和動力學(xué)是一個擁擠的環(huán)境中的生活性狀。利用高速熒光顯微鏡和有序的微柱陣列，我們表明寄生蟲的運(yùn)動模式適應(yīng)血液中細(xì)胞的密度。仿真產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的細(xì)胞體和螺旋形的游泳路徑，為具有復(fù)雜游泳策略的微生物提供了一種有效的仿真方法。
血管在人體內(nèi)形成了一個密集的網(wǎng)絡(luò)，總長約100.00(公里，血管直徑從幾微米到主動脈和靜脈的厘米。血液中約有45%(v/v)的細(xì)胞成分，其流動速度從mm到m主動脈不等。粘滯力和層流在血液循環(huán)中占主導(dǎo)地位。在血管中紅細(xì)胞(RBC)是單列移動的，而在較大的血管中，由于水動力作用，紅細(xì)胞被認(rèn)為聚集在通道中心。盡管有這些基本特征但不同脊椎動物的血液成分、溫度、壓力和含氧量卻有明顯差異。然而，寄生性單細(xì)胞錐蟲在從魚類到鳥類的所有脊椎動物類群的循環(huán)中繁衍生息。因此，寄生蟲通過適應(yīng)非常不同的血液條件而進(jìn)化。
只有非常少的和相當(dāng)古老的藥物可用，此外，這些藥物是高毒性的。尤為關(guān)鍵的是，在許多撒哈拉以南國家，由于社會和地緣問題，衛(wèi)生機(jī)構(gòu)基本上失去了對HAT的控制，由此產(chǎn)生的公共衛(wèi)生執(zhí)行不力導(dǎo)致出現(xiàn)耐藥性。因此，迫切需要新的藥物。揭示錐蟲與其他真核生物區(qū)別的獨特細(xì)胞和分子特征一直是尋找有希望的藥物靶點的首要目標(biāo)，然而，迄今為止，成功一直有限。另一種方法似乎是研究錐蟲在自然環(huán)境(即哺乳動物的血液)中的行為，那里的細(xì)胞不斷受到抗體和血清因子的影響?？蓪㈠F蟲從宿主身上屏蔽起來的屏障是異常致密的細(xì)胞表面涂層，它由107個相同類型的脂質(zhì)錨定變異表面糖蛋白(VSG)復(fù)制品組成。錐蟲利用抗原變異系統(tǒng)逃避宿主的免疫反應(yīng)，隨機(jī)改變暴露的變異糖蛋白(VSG)，從而逃避檢測。
對于高速熒光顯微鏡，采用了德國sCMOS相機(jī)pco.edge，幀速率為200至400fps。對于固定細(xì)胞的三維建模，xyz堆棧獲得在100nm的步驟在4°C下，將細(xì)胞固定在緩沖液中，在甲醛和戊二醛的條件下進(jìn)行夜間固定。使用軟件對堆棧進(jìn)行解卷積。從這些堆疊生成3D投影體積模型，應(yīng)用邊緣檢測濾波器，制作了3D模型動畫和帶注釋的視頻。
細(xì)胞被成像在高度為10um的二維裝置中，介于顯微鏡滑片和遮蓋滑片之間，或者在高度為200-800um的半透明通道中自由懸浮從而允許錐蟲在三維環(huán)境中不受限制地運(yùn)動。
如圖所示。利用多粒子碰撞動力學(xué)模擬錐蟲模型的運(yùn)動，證實了實驗觀察到的錐蟲運(yùn)動模式。面板1-18示出了示例性仿真的選定幀。圖片說明了四個完整的細(xì)胞旋轉(zhuǎn)。細(xì)胞后極的路徑以青色示出。由于細(xì)胞體的旋轉(zhuǎn)，模擬的鞭毛(藍(lán)色)總是在細(xì)胞的相對兩側(cè)出現(xiàn)和消失。
錐蟲翻滾是連續(xù)反向傳播波的結(jié)果。兩個慢動作視頻，每個視頻都是關(guān)于一個翻滾的錐蟲的，每一個頂部到基底和基底到頂部的波浪后面都有注釋，如視頻S12中所示。由于反向傳播波的影響相互抵消細(xì)胞幾乎沒有定向運(yùn)動。反向傳播波產(chǎn)生的不利旋，轉(zhuǎn)運(yùn)動在三維范圍內(nèi)扭曲、拉伸和旋轉(zhuǎn)細(xì)胞。鞭狀波的產(chǎn)生可以間歇地完全停止，只有鞭狀體的前部顯示出任何彎曲。
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