微流體平臺模擬血液微環境來監測蜱蟲傳播的寄生蟲

巴貝斯蟲病是一種傳染病，其癥狀類似瘧疾，傳播方式類似萊姆病。這種疾病在美國曾一度罕見，但現在卻越來越普遍，尤其是在東北部、大西洋中部和中西部北部地區。

為了幫助科學家更多地了解巴貝斯蟲病，卡內基梅隆大學的研究人員開發了一個監測紅細胞感染的新平臺。

這種疾病是由寄生蟲巴貝斯蟲引起的，這種寄生蟲生活在嚙齒動物的血液中。蜱蟲叮咬受感染的嚙齒動物，然后再叮咬人類，就會傳播這種疾病。寄生蟲進入血液，感染并破壞紅細胞。

早期準確診斷對于有效治療至關重要。巴貝斯蟲病可能無癥狀，也可能引起類似流感的癥狀，對于老年人和免疫功能低下者來說，病情可能較為嚴重。

這種寄生蟲的傳播和感染機制尚不清楚。在《先進科學》雜志上，塔格博·涅帕及其同事介紹了一種可用于研究微小巴貝斯蟲的微流體系統。

在宿主系統之外培養寄生蟲極具挑戰性，因此傳統的傳染病研究方法依賴于動物模型。“我們想制造一種寄生蟲能夠在其中生存并保持活力的工具，以便進行體外研究，”化學工程和生物醫學工程副教授Niepa說道。

圖片來源：卡內基梅隆大學化學工程系

Niepa μ生物界面實驗室設計微流體平臺，用于在接近天然條件下培養微生物。微生物在實驗室條件下的行為與在自然環境中的行為不同，這一直是體外實驗的一個重大限制。

為了更好地研究巴貝斯蟲的生命周期，研究人員創建了一個平臺，用于維持該寄生蟲的全血微環境。合作者包括當時在Niepa μBiointerface實驗室工作的研究員Chao Li，以及匹茲堡大學傳染病、微生物學和免疫學助理教授Danielle Tufts。

他們的技術將表面的疏水和親水特性功能化。通過精確地放置油和水，他們可以制造出一個微型通道，其大小剛好夠容納一層紅細胞。

“你可以觀察細胞單層，并觀察巴貝斯蟲隨時間的感染動態，”Niepa說道。由于開放式微流體系統比封閉式微流體平臺提供了更好的物理和光學樣品獲取途徑，科學家可以評估單個細胞中的巴貝斯蟲。

該平臺可以更輕松地識別寄生蟲，測量血液中寄生蟲的密度，并追蹤受感染紅細胞的損傷。Niepa 及其同事對微小巴貝斯蟲進行了染色，使其在共聚焦顯微鏡圖像中發出熒光，與紅細胞形成清晰的對比。

Niepa 正致力于將該平臺與自動化設備操作、成像和人工智能圖像分析相結合。與醫院使用的快速廉價的檢測方法相比，高分辨率共聚焦圖像價格昂貴，且需要數天的數據收集時間。大約五分鐘內，醫護人員就可以使用標準顯微鏡在單滴血涂片中尋找微小巴貝斯蟲。

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Niepa 看到了人工智能優化其更先進流程的潛力，提高了檢測速度并為醫學界提供了更多有關感染程度的信息。

“還有很多特性需要研究，”Niepa 說。例如，雖然已知田鼠巴貝斯蟲會感染嚙齒動物和人類，但攜帶和傳播蜱蟲的鹿卻不會受到感染。“這帶來了一些有趣的生物學問題，在我們的體外平臺上比在動物模型中更容易研究。”

血液樣本中的細胞濃度會隨著時間的推移自然降低，而在 Niepa 和 Li 的系統中，樣本可以保存 72 小時。Niepa μBiointerface 實驗室正在開發平臺增強功能，使其能夠評估寄生蟲在一周內的生存能力，從而超越最先進的平臺。

更多信息： Chao Li 等，《全血微環境中微小巴貝斯蟲感染動力學的體外監測》，《先進科學》（2025）。DOI ：10.1002/advs.202508185

期刊信息： Advanced Science