Toen het West-Nijlvirus (WNV) aanvankelijk werd geïsoleerd bij twee patiënten in een Queens, NY, ziekenhuis in de zomer van 1999, het zou moeilijk zijn geweest om te voorspellen hoe snel een veel voorkomende soort huismug, Culex pipiens, zou helpen om het virus over het westelijk halfrond te verspreiden.

Stukje bij beetje, kust tot kust, muggenpopulaties zouden het virus - dat oorspronkelijk meer dan 75 jaar geleden in de West-Nijlprovincie van Oeganda werd ontdekt - in slechts drie jaar tijd overbrengen op menselijke populaties in 44 Amerikaanse staten.

Met meer dan 2, 500 verschillende soorten muggen die vandaag op aarde bekend zijn, er zijn nog veel uitdagingen voor entomologen en experts op het gebied van ziektebestrijding die zich richten op het monitoren van evoluerende muggenpopulaties en besmettelijke door muggen overgedragen ziekten - die wereldwijd bijna 700 miljoen mensen treffen en resulteren in meer dan 1 miljoen menselijke sterfgevallen per jaar.

Natuurkundigen onderzoeken nu op laser gebaseerde technologie die traditioneel wordt gebruikt voor het bestuderen van omstandigheden in de atmosfeer - zoals Light Detection and Ranging (LIDAR) - om een ​​licht te werpen op de subtielste kenmerken van muggenactiviteit en om populaties die een virale dreiging kunnen dragen, beter te volgen.

Een onderzoek onder leiding van Benjamin Thomas, universitair docent natuurkunde aan het NJIT, heeft het gebruik van LIDAR aangenomen, een infrarood optische teledetectietechnologie die in staat is de snelheid vast te leggen waarmee muggen tijdens de vlucht met hun vleugels slaan, bekend als de vleugelslagfrequentie (WBF).

Door variaties van WBF in muggen te begrijpen, Thomas' lab leert twee belangrijke kenmerken die kunnen helpen onderscheiden welke muggen vectoren kunnen zijn voor infectieziekten, van degenen die dat niet zijn:soort en geslacht.

"Muggen blijven verreweg het dodelijkste dier op aarde, "zei Thomas. "Helaas, onze huidige methoden voor het volgen en verzamelen van gegevens over hen kosten doorgaans veel tijd en middelen, dus het ontbrak ons ​​aan veel entomologische gegevens over veel soorten en hun vrouwelijke populaties, die typisch overbrengers van ziekten zijn."

Huidige strategieën, zoals op feromonen gebaseerde fysieke vallen, zijn gebruikt om op kleine schaal muggenpopulaties nauwkeurig te bestuderen. Echter, Thomas zegt dat het werk van zijn team kan helpen de leemte in entomologische gegevens op grote schaal op te vullen. onderzoekers een betere manier geven om de bredere evolutie van insectenpopulaties en hun ecosystemen te onderzoeken, evenals de verspreiding van door muggen overgedragen ziekten volgen."

"In gevallen zoals de Zika-uitbraak, we volgden de verspreiding ervan meestal door meldingen van ziekte te volgen, laat ons altijd een stap achter de muggen die het virus overdragen, " zei Thomas. "We hebben een nieuw optisch instrument ontwikkeld dat in staat is de omgeving te scannen en honderden insecten per uur in realtime te meten. Dit zou ons een betere methode kunnen geven om grootschalige entomologische gegevens te verzamelen en ons tegelijkertijd te helpen bij het opsporen van specifieke soorten waarvan we weten dat ze gevaarlijk zijn als reactie op een uitbraak."

Het ritme van muggen opnemen

Hoewel zowel mannelijke als vrouwelijke muggen een mondachtige anatomie hebben, alleen vrouwelijke muggen hebben kaken die in staat zijn de huid van zoogdieren te doorboren om bloed te zuigen - een aanpassing die dient om de noodzakelijke voedingsstoffen voor reproductie te leveren. Omdat vrouwtjesmuggen op deze manier uitsluitend bloed aan mensen onttrekken, het identificeren ervan onder grotere populaties is een belangrijke stap in de richting van het opsporen van potentiële overbrengers van ziekten.

Thomas' lasergebaseerde benadering kan vrouwelijke muggen-WBF's nauwkeurig identificeren, die typisch gemiddeld ongeveer 500 vleugelslagen per seconde zijn, van de WBF's van hun mannelijke tegenhangers, die normaal gesproken gemiddeld 600 vleugelslagen per seconde zijn.

"In ons laboratorium de muggen worden in een buisbehuizing geplaatst en gaan door het laserpad van ons instrument, en gebaseerd op hun vleugelbeweging, ze produceren een specifieke lichtsignatuur die terugkaatst naar het instrument, " legde Thomas uit. "Die terugverstrooiing van licht bevat de informatie die we nodig hebben om te identificeren wat de straal kruist ... of het nu een bij is, een huisvlieg, een mannelijke mug of vrouwelijke mug. Naast onze laser, we hebben een telescoop die al dit licht verzamelt en we kunnen die gegevens in realtime analyseren."

In gecontroleerde experimenten in het laboratorium, Het team van Thomas testte het vermogen van zijn systeem om nauwkeurig onderscheid te maken tussen mannelijke en vrouwelijke muggen van vier verschillende soorten die eerder zijn geïdentificeerd als vectoren van ziekten: Aedes albopictus , Aedes Vexans , Aedes aegypti en een andere soort van de Culex geslacht.

Bij de testen, het instrument bleek in staat om het geslacht van de mug te identificeren met een nauwkeurigheid van 96,5 procent. Echter, een lastiger vooruitzicht voor het laboratorium van Thomas is het identificeren van insectensoorten; momenteel, het lab kan muggensoorten identificeren met een nauwkeurigheid van 75 procent. In een recente studie, gepubliceerd in Conferentieprocedures van SPIE , Het team van Thomas begon nieuwe optische parameters te onderzoeken om de vorm en kleur van insecten beter te karakteriseren. die de algemene identificatie van soorten zouden kunnen verbeteren.

"Ons lasersysteem bevat nu twee verschillende infraroodgolflengten binnen hetzelfde optische pad, dus afhankelijk van of een soort bruin is, zwart of gestreept, het zal de sterkte van het signaal dat terugkomt van een van de twee kanalen anders beïnvloeden, " zei Thomas. "We zijn ook begonnen te meten hoe het licht gepolariseerd is om het oppervlak en de vorm van insecten beter te begrijpen. Bijvoorbeeld, gewoon door de polarisatie te meten van het licht dat naar ons terugkeert, we kunnen nu zien of de muggen eieren dragen of niet."

Thomas' lab is nu bezig met het optimaliseren van zijn aanpak voor gebruik in het veld - niet alleen om de nauwkeurigheid van de identificatie van soorten verder te verbeteren, maar ook om het bereik van de telescoop van het systeem te verbeteren. Het team breidt het bereik van zijn telescoop voor het opvangen van licht uit zijn huidige bereik van 100 meter uit tot een paar honderd meter om gegevens te verzamelen van buitenomgevingen waar grotere muggenpopulaties wonen. Met veiligheidstests en verfijningen aan het ontwerp aan de gang, Thomas zegt dat veldtesten al in 2019 kunnen beginnen.

"Als ons instrument eenmaal in het veld is ingezet, we zouden idealiter in de loop van een paar dagen gegevens kunnen verzamelen via een internetverbinding, " zei Thomas. "Dit zou ons een enorme hoeveelheid informatie kunnen opleveren over muggen en andere insecten in de omgeving. Op de lange termijn, toekomstige studies kunnen ons zelfs vertellen hoe de ruimtelijke verdeling van een bepaalde populatie evolueert als gevolg van klimaatverandering."