Dans le laboratoire de Thomas au NJIT, les moustiques sont placés dans une enceinte tubulaire où ils transitent par un faisceau laser et reflètent des signatures distinctes de lumière rétrodiffusée. Crédit :NJIT
Lorsque le virus du Nil occidental (VNO) a été initialement isolé chez deux patients dans un Queens, NEW YORK., l'hôpital à l'été 1999, il aurait été difficile de prévoir à quelle vitesse une espèce commune de moustique domestique, Culex pipiens, aiderait à commencer à propager le virus dans tout l'hémisphère occidental.
Morceau par morceau, d'un océan à l'autre, les populations de moustiques transmettraient le virus, découvert à l'origine dans la province ougandaise du Nil occidental il y a plus de 75 ans, aux populations humaines de 44 États américains en seulement trois ans.
Avec plus de 2, 500 espèces différentes de moustiques connues sur Terre aujourd'hui, de nombreux défis restent à relever pour les entomologistes et les experts en contrôle des maladies qui souhaitent surveiller l'évolution des populations de moustiques et les maladies infectieuses transmises par les moustiques, qui affectent près de 700 millions de personnes dans le monde et entraînent plus d'un million de décès humains chaque année.
Les physiciens explorent maintenant la technologie laser traditionnellement utilisée pour étudier les conditions dans l'atmosphère, telles que la détection et la télémétrie par la lumière (LIDAR), pour mettre en lumière les caractéristiques les plus subtiles de l'activité des moustiques et mieux suivre les populations susceptibles de porter une menace virale.
Une enquête menée par Benjamin Thomas, professeur assistant de physique au NJIT, a adopté l'utilisation du LIDAR, une technologie de télédétection optique infrarouge capable de capter la vitesse à laquelle les moustiques battent des ailes en vol, connue sous le nom de fréquence de battement d'aile (WBF).
En comprenant les variations de WBF chez les moustiques, Le laboratoire de Thomas apprend deux caractéristiques clés qui peuvent aider à distinguer quels moustiques peuvent être des vecteurs de maladies infectieuses, de ceux qui ne le sont pas :l'espèce et le sexe.
Benjamin Thomas du NJIT présente l'instrument laser de son laboratoire capable de collecter des données sur des centaines d'insectes par heure en temps réel. Crédit :NJIT
"Les moustiques restent de loin l'animal le plus meurtrier sur Terre, " dit Thomas. " Malheureusement, nos méthodes actuelles de suivi et de collecte de données à leur sujet coûtent généralement beaucoup de temps et de ressources, nous avons donc manqué de beaucoup de données entomologiques sur de nombreuses espèces et leurs populations femelles, qui sont généralement des transmetteurs de maladies.
Les stratégies actuelles, comme les pièges physiques à base de phéromones, ont été utilisées pour étudier avec précision les populations de moustiques à petite échelle. Cependant, Thomas dit que le travail de son équipe pourrait aider à combler le manque de données entomologiques à grande échelle, donner aux chercheurs un meilleur moyen d'étudier l'évolution plus large des populations d'insectes et de leurs écosystèmes, ainsi que de suivre la propagation des maladies transmises par les moustiques. »
"Dans des cas comme l'épidémie de Zika, nous suivions surtout sa propagation en suivant les rapports de maladie, nous laissant toujours un pas derrière les moustiques transmettant le virus, " a déclaré Thomas. "Nous avons développé un nouvel instrument optique capable de scanner l'environnement et de mesurer des centaines d'insectes par heure en temps réel. Cela pourrait nous donner une meilleure méthode de collecte de données entomologiques à grande échelle tout en nous aidant à suivre des espèces spécifiques que nous savons dangereuses en réponse à une épidémie. »
Enregistrer le rythme des moustiques
Bien que les moustiques mâles et femelles présentent une anatomie semblable à une bouche, seules les moustiques femelles possèdent des mandibules capables de percer la peau des mammifères pour sucer le sang, une adaptation qui sert à fournir les nutriments nécessaires à la reproduction. Parce que les moustiques femelles extraient exclusivement le sang des humains de cette manière, les identifier parmi des populations plus importantes est une étape importante vers le suivi des transmetteurs potentiels de la maladie.
L'approche laser de Thomas peut identifier avec précision les moustiques WBF femelles, qui en moyenne environ 500 battements d'ailes par seconde, des WBF de leurs homologues masculins, qui sont normalement de 600 battements d'ailes par seconde en moyenne.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur du NJIT Benjamin Thomas explore une méthode à base de laser pour suivre les moustiques porteurs de maladies infectieuses, de Zika au Nil occidental. Crédit :NJIT
« Dans notre laboratoire, les moustiques sont placés dans une enceinte tubulaire et transiteront par le trajet laser de notre instrument, et en fonction de leur mouvement d'aile, ils produiront une signature lumineuse spécifique qui se réfléchit vers l'instrument, " expliqua Thomas. " Cette rétrodiffusion de la lumière contient les informations dont nous avons besoin pour identifier tout ce qui traverse le faisceau... que ce soit une abeille, une mouche domestique, un moustique mâle ou un moustique femelle. Aux côtés de notre laser, nous avons un télescope qui collecte toute cette lumière et nous pouvons analyser ces données en temps réel."
Dans des expériences contrôlées en laboratoire, L'équipe de Thomas a testé la capacité de son système à distinguer avec précision les moustiques mâles et femelles de quatre espèces différentes précédemment identifiées comme vecteurs de maladie : Aedes albopictus , Aedes Vexans , Aedes aegypti et une autre espèce de Culex genre.
Dans les épreuves, l'instrument s'est avéré capable d'identifier le sexe du moustique avec une précision de 96,5%. Cependant, une perspective plus délicate pour le laboratoire de Thomas a été d'identifier les espèces d'insectes; actuellement, le laboratoire peut identifier les espèces de moustiques avec une précision de 75 pour cent. Dans une étude récente, Publié dans Actes du colloque de SPIE , L'équipe de Thomas a commencé à explorer de nouveaux paramètres optiques pour mieux caractériser la forme et la couleur des insectes, ce qui pourrait améliorer l'identification globale des espèces.
"Notre système laser intègre désormais deux longueurs d'onde infrarouges différentes dans le même chemin optique, donc selon si une espèce est brune, noir ou rayé, cela affectera différemment la force du signal revenant de l'un des deux canaux, " a déclaré Thomas. "Nous avons également commencé à mesurer la polarisation de la lumière pour mieux comprendre la surface et la forme des insectes. Par exemple, juste en mesurant la polarisation de la lumière qui nous revient, nous pouvons maintenant dire si les moustiques portent des œufs ou non."
Le laboratoire de Thomas est maintenant en train d'optimiser son approche pour une utilisation sur le terrain, travaillant non seulement pour améliorer encore la précision de l'identification des espèces, mais aussi pour améliorer la portée du télescope de son système. L'équipe étend la portée de son télescope pour collecter la lumière de sa portée actuelle de 100 mètres à quelques centaines de mètres afin de collecter des données à partir d'environnements extérieurs où vivent de plus grandes populations de moustiques. Avec des tests de sécurité et des améliorations de la conception en cours, Thomas dit que les tests sur le terrain pourraient commencer dès 2019.
« Une fois notre instrument déployé sur le terrain, nous pourrions idéalement collecter des données via une connexion Internet en quelques jours, " a déclaré Thomas. " Cela pourrait nous fournir une énorme quantité d'informations sur les moustiques et autres insectes dans l'environnement. À long terme, des études futures pourraient même nous renseigner sur l'évolution de la répartition spatiale d'une population donnée en raison du changement climatique. »
