この偽の皮膚は蚊を騙して、蚊が媒介する病気と戦う

世界で最も危険な動物は、好き嫌いが激しい動物です。ジカ熱やチクングニア熱などのウイルス性疾患や、マラリアを引き起こす寄生虫を媒介するため、吸血性の ネッタイシマカなどの蚊 は、毎年世界中で70万人以上の命を奪っています。

しかし、ライス大学のオミッド・ベイセ研究室では、彼のバイオエンジニアチームが蚊に餌を食べさせるのに苦労していました。通常、研究者は蚊の摂食行動を研究するために、生きた動物、つまり実験用マウスや、研究のために腕を提供してくれる大学院生やポスドクに蚊を刺させます。しかし、これは理想的ではありません。実験動物は費用がかかり、扱いが困難であり、倫理的な問題を引き起こす可能性があるからです。学生の腕は、大規模な実験には適していません。

ライス大学の研究チームは、チューレーン大学の昆虫学者と共同で、多数の動物実験という困難な作業なしに蚊の行動を研究する方法の開発を目指しました。彼らの解決策は全く異なるものでした。それは、生命のないハイドロゲルに閉じ込められた本物の血液です。「ゼリーのような感触です」とベイセ氏は言います。「蚊は血液を得るためにゼリーを噛み切らなければなりません。」 

少なくとも理論上は。蚊が噛まないこともあれば、ストローのような口吻が刺さらないこともありました。最終的に、チームはゲルの硬さを変えるなど、十分な調整を重ね、ついに成功しました。「私たちにとって大きな発見でした」とヴェイセは言います。「蚊がゲルの上を這い、噛みつき、血を吸うのが見えました。」

研究チームは本日、学術誌 「Frontiers in Bioengineering and Biotechnology」に、 蚊の行動を試験するためのスケーラブルなプラットフォームについて発表しました。3Dプリントされたハイドロゲルは皮膚を模倣し、ジグザグのチャネルを備えており、そこから血液を送り出すことができます。研究者たちはこのゲルを試験するために、カメラをゲルに向け、コンピュータービジョンアルゴリズムを用いて、何匹の蚊が口からビュッフェに飛び込んだかを迅速に分析しました。概念実証実験では、ハイドロゲルに忌避剤の匂いを嗅がせると、蚊が餌を食べなくなることが示されました。 

研究の共同リーダーであるチューレーン大学の医学昆虫学者、ドーン・ウェッソン氏は、このゲルは地域警報システムの構築に活用できる可能性があると述べている。これは、蚊が媒介する病気が制御不能になる前に、蚊を誘引して観察するプラットフォームである。「野生の蚊の感染を検出しようとする場合、野外に数百個のこのゲルを設置すれば、監視アレイのような形で役立つ可能性があります」とウェッソン氏は言う。 

研究チームは、このシステムが忌避剤の開発と試験のための低コストなシステムになる可能性も考えている。「このシステムの良いところは、実際の人間を使わずに人間の皮膚を模倣しようとしていることです」と、オーストラリア、メルボルン大学の医学昆虫学者ペラン・ロス氏は述べている。ロス氏は今回の研究には関わっていない。「このシステムは蚊よけ剤の研究に非常に役立つでしょう。実際の人間を使うのが現実的でない場合には、非常に有効な方法です」

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蚊がもたらす健康被害を考えると、新しい蚊よけ剤の開発は実に大きな意味を持つ。現在の蚊よけ剤は確かに効果があるが、完璧ではない。人々に本当に病気予防策を実践してもらいたいのであれば、効果だけでなく使い心地も重要と言えるだろう。DEETはゴールドスタンダードだが、効果持続時間が短く、臭いが強く、敏感肌には刺激が強い。「代替品やより良いものを開発するための大規模な取り組みはこれまで行われてこなかった」とヴェイセ氏は言う。

忌避剤の効果を定量化するのは非常に手間がかかる。これまでの取り組みでは、人間のボランティアや、空気の流れと匂いを使って蚊をおびき寄せる装置に頼ってきた。どちらの方法でも、一度に多くの化合物をテストするのは現実的ではない。多くのボランティアを募集したり、卓上風洞を多数作ったりするのは困難だ。また、忌避剤のテストは、創薬と同様に、多くの候補物質が関わることがある。米国農務省は1940年代にDEETを開発する際に、何千もの化合物をスクリーニングした。現在、Google Researchからスピンアウトしたスタートアップ企業Osmoは、機械学習を使用して、化合物の分子構造のみに基づいて潜在的な忌避効果を予測することを計画している。この取り組みはまだ初期段階だが、一度に多くの選択肢をふるいにかける可能性のあるアプローチだ。 

蚊の行動の複雑さを真に解明することも困難だとウェッソン氏は言う。研究者たちは、蚊が人に吸血すると何が起こるのか、そしてウイルスの伝播にどのような要因が影響するのかを詳細に知りたいと考えている。これは、蚊媒介性疾患の蔓延を抑制する新たな方法の発見につながる可能性がある。新たな解決策は、単純な蚊帳にとどまらない。科学者たちは、蚊の侵入を防ぐ住宅や、蚊の繁殖を遅らせるための遺伝子組み換えといった解決策を模索している。

しかし、実験室で一般的に用いられる吸血システムは、蚊にワックスの膜を通して血を吸わせるものであり、研究者が蚊の行動を分析したり、蚊を誘引したり忌避したりする実験を行えるようには設計されていない。「このシステムでは、蚊の吸血と忌避のどちら側で何が起こっているのかを実際に検出する手段がないのです」とウェッソン氏は言う。 

研究チームは、この新しいシステムには本物の血液を使いたいと考えていた。刺す蚊はメスであり、卵子の発育には血液中のタンパク質が必要だったからだ。（実験に使用した血液は牛、鶏、羊から採取され、凝固しないように処理されていた。）

研究者たちが皮膚の代わりとして用いたハイドロゲルは柔らかく多孔質で、蚊がそれを通して血の匂いを嗅ぎ分けられるほどだった。それぞれのゲルは黄色に着色したポリマーで作られ、指の爪ほどの大きさに印刷されていた。彼らは6つのハイドロゲルを直列につなぎ合わせた。これは20～30匹の蚊に十分なスペースだと彼らは考えた。血液はゲルからゲルへと流れ、1つのポンプが蚊に共有される仕組みだ。さらに、血液を体温とほぼ同じ温度に保つため、ゲルの裏側に小型ヒーターも組み込んだ。 

装置は 一見うまく機能するように見えたが、果たして本当に効果があるのだろうか？研究者たちは簡単なテストを考案した。まず、1つの容器にDEETを塗布したハイドロゲルを置く。もう1つの容器には、レモンとユーカリの香りの植物由来の忌避剤を塗布する。3つ目の容器には何も塗布しない。そして、それぞれの人工皮膚の周りに数十匹の蚊を最大45分間放した。 

各ケージ内のカメラで映像を撮影し、昆虫の行動を記録し、満腹になるまで何匹の昆虫が摂食したかを数えた。実験対象が動物ではなくゲルであれば、昆虫を追い払おうとして餌を邪魔する動物ではなく、はるかに簡単に測定できる。「このシステムでは何も動いていません」とウェッソン氏は言う。「ですから、昆虫が摂食を始めると、通常は満腹になるまで摂食するのです。」 

結果は明白でした。コーティングされていないハイドロゲルを与えた蚊だけが血を吸っていました。どちらの忌避剤を塗布したゲルを与えた蚊も、全く血を吸っていませんでした。これは、ハイドロゲルが皮膚を模倣して蚊を誘引し、忌避剤を塗布した場合でも蚊が通常通りの行動を示すことを示しています。

ウェッソン氏にとって、このプラットフォームは蚊が致命的な病気をどのように拡散させるかを研究する新たな道を開くものです。例えば、昆虫学者は蚊の唾液が何らかの形で病気の伝染を強めることを知っています。このハイドロゲルを用いた新たな実験は、この効果に最も関与する唾液タンパク質を特定するのに役立ちます。ワクチンや忌避剤はそのタンパク質を標的とし、感染を遅らせることができると彼女は言います。

このプラットフォームは、人間の匂いにあまり惹かれない蚊を遺伝子操作し、野生種と入れ替えて放出する研究にも役立つ可能性があるとロス氏は言う。「野外放出を行う前に、まず実験室で蚊の系統を評価する必要があります」と彼は言い、このハイドロゲルは研究者が最適な変異体を選択するのに役立つ可能性がある。

ロス氏は、このシステムは完璧な皮膚模倣ではないと警告する。「蚊は非常に複雑な生き物で、遠くから人間を追い詰めるのが非常に得意です」と彼は言う。彼らは二酸化炭素、体臭、湿度、視覚的なコントラスト、さらには色までも使って標的を選ぶ。「蚊を引き寄せる他のあらゆる手がかりを加えなければ、最大限の効果は得られません」

それでもロス氏は、ハイドロゲルが忌避剤の試験における人体実験に取って代わることはないかもしれないが、人や動物を介さずに有望な候補物質の選抜に活用できると考えている。「それでも、より優れたものが上位に上がるだろう」とロス氏は言う。

「まだ基礎段階です」とウェッソン氏は言う。この研究はまだ概念実証に過ぎないが、「選択肢を絞り込み、コストを削減するための足掛かりとなる段階に到達できればと思っています」と彼女は続ける。