锥虫运动代表脊椎动物血液对拥挤环境的适应

（论文部分内容摘抄）

血液是一个非同寻常的栖息地：它非常粘稠，含有密集的细胞包装，并且持续以三倍以上的速率流动。尽管不断受到宿主抗体的攻击，但只有极少数病原体能够忍受脊椎动物血液中的恶劣条件并茁壮成长。非洲锥虫是严格意义上的细胞外血液寄生虫，它们通过一个抗原变异和不断运动的系统逃避免疫反应。鞭毛虫究竟是如何在血液中游动的仍有待于阐明。在这里，我们表明锥虫运动的模式和动力学是一个拥挤的环境中的生活性状。利用高速荧光显微镜和有序的微柱阵列，我们表明寄生虫的运动模式适应血液中细胞的密度。仿真产生旋转的细胞体和螺旋形的游泳路径，为具有复杂游泳策略的微生物提供了一种有效的仿真方法。

血管在人体内形成了一个密集的网络，总长约100公里，血管直径从几微米到主动脉和静脉的厘米。血液中约有45%(v/v)的细胞成分，其流动速度从mm到m主动脉不等。粘滞力和层流在血液循环中占主导地位。在血管中红细胞(RBC)是单列移动的，而在较大的血管中，由于水动力作用，红细胞被认为聚集在通道中心。尽管有这些基本特征但不同脊椎动物的血液成分、温度、压力和含氧量却有明显差异。然而，寄生性单细胞锥虫在从鱼类到鸟类的所有脊椎动物类群的循环中繁衍生息。因此，寄生虫通过适应非常不同的血液条件而进化。

只有非常少的和相当古老的药物可用，此外，这些药物是高毒性的。尤为关键的是，在许多撒哈拉以南国家，由于社会和地缘问题，卫生机构基本上失去了对HAT的控制，由此产生的公共卫生执行不力导致出现耐药性。因此，迫切需要新的药物。揭示锥虫与其他真核生物区别的独特细胞和分子特征一直是寻找有希望的药物靶点的首要目标，然而，迄今为止，成功一直有限。另一种方法似乎是研究锥虫在自然环境(即哺乳动物的血液)中的行为，那里的细胞不断受到抗体和血清因子的影响。可将锥虫从宿主身上屏蔽起来的屏障是异常致密的细胞表面涂层，它由107个相同类型的脂质锚定变异表面糖蛋白(VSG)复制品组成。锥虫利用抗原变异系统逃避宿主的免疫反应，随机改变暴露的变异糖蛋白(VSG)，从而逃避检测。

对于高速荧光显微镜，采用了德国sCMOS相机pco.edge，帧速率为200至400 fps。对于固定细胞的三维建模，xyz堆栈获得在100nm的步骤在4°C下，将细胞固定在缓冲液中，在甲醛和戊二醛的条件下进行夜间固定。使用软件对堆栈进行解卷积。从这些堆叠生成3D投影体积模型，应用边缘检测滤波器，制作了3D模型动画和带注释的视频。

细胞被成像在高度为10um的二维装置中，介于显微镜滑片和遮盖滑片之间，或者在高度为200-800um的半透明通道中自由悬浮从而允许锥虫在三维环境中不受限制地运动。

如图所示。利用多粒子碰撞动力学模拟锥虫模型的运动，证实了实验观察到的锥虫运动模式。面板1-18示出了示例性仿真的选定帧。图片说明了四个完整的细胞旋转。细胞后极的路径以青色示出。由于细胞体的旋转，模拟的鞭毛(蓝色)总是在细胞的相对两侧出现和消失。

锥虫翻滚是连续反向传播波的结果。两个慢动作视频，每个视频都是关于一个翻滚的锥虫的，每一个顶部到基底和基底到顶部的波浪后面都有注释，如视频S12中所示。由于反向传播波的影响相互抵消细胞几乎没有定向运动。反向传播波产生的不利旋，转运动在三维范围内扭曲、拉伸和旋转细胞。鞭状波的产生可以间歇地完全停止，只有鞭状体的前部显示出任何弯曲。

德国Excelitas PCO公司pco.egde高速相机，具备高分辨率、高感光度、双帧PIV瞬间成像的优点，将高速实验过程完美记录，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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