Depuis plusieurs années Manu Prakash, professeur assistant de bio-ingénierie, est allé sur le terrain pour tester de nouveaux, microscopes à faible coût comme outil de diagnostic de la schistosomiase, une maladie parasitaire. Les appareils se sont montrés prometteurs, mais Prakash était perplexe quant à la fréquence à laquelle les enfants traités pour la maladie étaient réinfectés. Prakash a rapidement tourné son attention vers la prévention des infections en premier lieu.

Cette nouvelle orientation a conduit son équipe à réfléchir à une question fondamentale dans le cycle de transmission :comment ce parasite se déplace-t-il réellement en eau libre pour infecter un hôte humain ? Ils espèrent qu'en comprenant la biophysique de la façon dont ce parasite nage, il pourrait être possible d'entraver le mouvement et de contrecarrer l'infection. Les résultats de cette étude sont publiés dans le numéro du 31 octobre de Physique de la nature .

« Nous avons commencé à réfléchir au contexte écologique du cycle de la maladie de la schistosomiase lorsque, sur le terrain, nous voyions le terrible traumatisme qu'il inflige aux gens, " dit Prakash, auteur principal de l'étude. "Il se manifeste sur de longues périodes de temps, et si le plan d'eau près de chez vous est infecté, il y a une très forte probabilité que vous contractiez la maladie. Donc, effectivement, vous pouvez prendre des médicaments qui pourraient vous guérir pendant un certain temps, mais vous vous réinfectez à nouveau. »

Une maladie invalidante

Les gens deviennent infectés par la schistosomiase lorsque la forme larvaire du parasite quitte l'escargot d'eau douce hôte, nage dans l'eau et pénètre dans la peau humaine. Une fois dans une personne, les larves se transforment en schistosomes adultes. Les parasites femelles libèrent plus tard des œufs, qui sont soit expulsés du corps par l'urine et les selles, soit piégés dans les tissus corporels, déclenchant une réponse immunitaire et des dommages organiques à grande échelle. Lorsque les œufs provenant de l'urine ou des selles pénètrent dans un plan d'eau avec les hôtes d'escargots d'eau douce, le cycle recommence.

La schistosomiase provoque souvent des douleurs abdominales, diarrhée et sang dans les selles ou l'urine. Cela peut également entraîner des déficiences d'apprentissage chez les enfants et une incapacité à travailler chez les adultes, ce qui enferme les familles dans un cycle de pauvreté. Au cours des années, les adultes peuvent développer un cancer de la vessie ou des lésions rénales graves, ce qui réduit leur qualité de vie. Dans certains cas, la maladie entraîne la mort.

L'Organisation mondiale de la santé (OMS) estime que 258 millions de personnes ont eu besoin d'un traitement préventif contre la schistosomiase en 2014, avec environ 20, 000 morts. Comme pour de nombreuses autres maladies tropicales négligées, la schistosomiase affecte de manière disproportionnée les personnes qui vivent dans la pauvreté. Ces personnes sont plus susceptibles d'être vulnérables à l'infection parce qu'elles ont souvent moins accès à un assainissement adéquat ou à de l'eau salubre pour boire, corvées, des loisirs, la pêche ou l'agriculture. Même après le traitement, les gens sont souvent réinfectés par leur contact constant avec de l'eau contaminée.

Où commencer

Prakash a décidé d'étudier comment les larves de schistosomiase nagent pour trouver un hôte humain. C'est une question précieuse parce que, sous sa forme larvaire, le parasite n'a pas de mécanisme d'alimentation et doit trouver un hôte dans les 12 heures environ ou mourir. Il va de soi, alors, que les larves ont probablement des particularités, compétences de natation extrêmement efficaces. Il s'avère que l'intuition est correcte.

"C'était différent de tout ce que j'avais vu auparavant, " a déclaré Deepak Krishnamurthy, doctorant au Prakash Lab et auteur principal de l'étude. "Quand j'ai regardé ce parasite, J'étais fasciné par le fait qu'il nageait d'une manière complètement différente par rapport à tout autre micro-organisme que je connaissais. Le parasite avait une mystérieuse queue fourchue, quelque chose qui n'a jamais été vu auparavant chez aucun autre micro-organisme nageur."

Les chercheurs ont utilisé trois approches différentes pour étudier cet étrange coup de nage. Ils ont imagé des larves de parasites vivantes au microscope à grande vitesse, ils ont créé un modèle mathématique pour comprendre comment le parasite interagissait avec le fluide environnant, et enfin, ils ont traduit ce modèle en un nageur robotique à grande échelle en tant qu'extension physique pour en savoir plus sur les paramètres physiques en jeu.

Le nageur en T

En observant les larves, l'équipe a remarqué quelques styles de nage que les larves de schistosomiase utilisent dans différentes situations, et qui diffèrent principalement par la position de la queue fourchue. De celles, l'un s'est imposé comme unique. Dans ce coup, les larves sortent la queue perpendiculairement au corps, comme la lettre T, incitant les chercheurs à les surnommer des nageurs en T.

Les larves passent à la nage en T lorsqu'elles se déplacent contre la gravité, ce qu'ils semblent faire pour être près de la surface de l'eau, où ils sont le plus susceptibles de trouver un hôte humain. Une vidéo à haute vitesse de larves nageant en direct a permis aux chercheurs d'examiner en profondeur le fonctionnement de ce nouveau style de nage.

"Nous avons passé d'innombrables heures à regarder des centaines de ces parasites nager - c'est comme une obsession, " a déclaré Yorgos Katsikis, ancien doctorant au Prakash Lab et co-auteur de cette étude. "Ensuite, nous avons développé des algorithmes de traitement d'images qui traiteraient ces données automatiquement sans aucun biais expérimental."

Ces algorithmes personnalisés ont révélé en détail la cinématique exacte de la façon dont les larves plient leur corps et font pivoter leur tête, à quelle vitesse ils se déplacent et comment ils accélèrent et décélérent et perturbent le fluide environnant.

Création de modèles

Parallèlement aux observations directes, les chercheurs ont développé plusieurs modèles mathématiques et robotiques sur la façon dont un nageur en T pouvait nager. Les représentations mathématiques ressemblent à trois tiges, l'un représentant la queue fourchue des larves et les deux autres sa queue et son corps courbés. Les robots étaient structurés de la même manière et nageaient dans du sirop de maïs, un 10, 000 fois plus visqueuse en contrepartie de l'eau infestée par les larves, pour recréer les mêmes effets physiques.

Avec ces modèles, ils pouvaient faire en sorte que les larves modèles fassent des mouvements impliquant diverses combinaisons de rigidité de la queue et de mouvement de flexion. Ils ont même couru plusieurs robots, chacun avec de légères modifications dans leur rigidité de queue.

"Dans de nombreux cas, nous essayons de reproduire la nature dans des robots. C'était très différent, " dit Krishnamurthy. " A première vue, on dirait que j'essaye de faire un robot qui nage comme un parasite, mais la vérité est que c'était exactement le contraire :je construisais un robot pour réellement comprendre comment nage le parasite biologique."

Ce que ces modèles et diverses modifications ont révélé, c'est que le vrai coup de nage des larves était en effet la version optimale.

Prakash et Krishnamurthy ont été à Madagascar pour collecter des escargots infectés et étudier l'écologie de ce parasite en eau libre dans des villages ruraux. Ils espèrent que leur travail dans et hors du laboratoire les aidera à comprendre comment ces parasites trouvent les humains et les rapprochera d'une solution écologique à cette maladie répandue.