میکروسوزن های ابریشم راه جدیدی برای رساندن واکسن به ماهی های پرورشی ارائه می دهند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ماهی‌هایی که در استخرها یا استخرها کشت می‌شوند منبع غذایی مهمی در سراسر جهان هستند. متأسفانه، شیوع بیماری می تواند خسارات قابل توجهی را در آبزی پروری ایجاد کند.

پرورش دهندگان ماهی مانند کشاورزان عادی از واکسن ها برای جلوگیری از شیوع بیماری استفاده می کنند، اما واکسیناسیون ماهی بسیار سخت تر از واکسینه کردن یک گاو است. امروزه موثرترین روش برای واکسیناسیون ماهی از سوزن استفاده می کند، اما این فرآیند دارای معایب متعددی است، هم برای ماهی ها و هم برای کشاورزان.

اکنون تیمی از محققان در MIT و وزارت کشاورزی ایالات متحده راه بالقوه بهتری برای تحویل واکسن ایجاد کرده اند. این رویکرد از میکروسوزن‌های مقاوم در برابر آب و درجه مواد غذایی استفاده می‌کند که می‌توانند به آرامی نفوذ کرده و قبل از تجزیه به پوست ماهی چسبیده باقی بمانند. در مقاله جدیدی که در ACS Nano منتشر شد، محققان سیستم خود را توصیف کردند و نشان دادند که می‌توان از آن برای تحویل طیفی از محموله‌ها مانند واکسن‌های باکتریایی استفاده کرد.

Benedetto Marelli، استاد دپارتمان مهندسی عمران و محیط زیست می‌گوید: «برای تغذیه جهان به ماهی‌های بیشتری نیاز داریم که منبع اصلی پروتئین و تغذیه هستند». "آبزی پروری روشی بسیار موثر برای تولید مقدار زیادی ماهی است. رویکرد ما می تواند ابزار دقیق تری برای حفظ سلامت ماهی در اختیار کشاورزان قرار دهد. کشاورزان واقعا نگران مراقبت های بهداشتی این ماهی ها هستند، بنابراین تهیه ابزار بهتر برای آنها واقعا مهم است."

منگ لی، فوق دکترای MIT و اولین نویسنده مقاله، به مارلی در این مقاله می پیوندند. Jad Raad MEng '24; Ph.D. Yunteng Cao '22، فوق دکترای دانشگاه ییل. یو هو، فوق دکترای سابق MIT؛ Colleen Wolfe MEng '23; دویون کیم، فوق دکترای سابق MIT؛ بردلی فرانک، فوق دکترای فعلی MIT؛ و گرگوری وینز، محقق در مرکز ملی آبزی پروری آب سرد و خنک وزارت کشاورزی ایالات متحده.

آبزی پروری پتانسیل بسیار زیادی برای رفع ناامنی غذایی، کاهش مصرف انرژی و کربن زدایی سیستم های غذایی جهانی دارد. در سال 2021، برای اولین بار، آبزیان پرورشی از نظر وزنی از آبزیان صید شده وحشی در تولید جهانی غذا پیشی گرفتند.

مارلی می گوید: «جمعیت جهان تا سال 2050 تقریبا 2 میلیارد نفر افزایش خواهد یافت. ماهی ها دسترسی به مواد مغذی ضروری را فراهم می کنند. آنها سرشار از پروتئین و چربی سالم هستند که ساختن آنها دشوار است، بنابراین جهان در تلاش است تا ماهی بیشتری تولید کند. اما چالش های زیادی در ارتباط با شیلات وجود دارد.

برای جلوگیری از تلفات ناشی از بیماری، کشاورزان از طیف وسیعی از استراتژی‌های واکسیناسیون خودکار و دستی استفاده می‌کنند که هر کدام دارای معایب خاص خود هستند. برخی از درمان‌ها می‌توانند در غذای ماهی استفاده شوند، اما این درمان‌ها ممکن است به همه ماهی‌ها نرسد. روش دیگر قرار دادن درمان مستقیم در استخر و فرو بردن ماهی در آب تصفیه شده است. این رویکرد به مقادیر بسیار بالاتری از درمان نیاز دارد و باز هم 100٪ موثر نیست.

موثرترین راه برای واکسیناسیون ماهی سوزن های فلزی است. این فرآیند به کشاورزان نیاز دارد که ماهی ها را آرام کنند، سپس آنها را از آب بیرون بیاورند و روی تسمه نقاله قرار دهند، جایی که کارگران عجله می کنند تا ماهی ها را واکسینه کنند و آنها را به آب برگردانند تا آسیب به حداقل برسد.

لی توضیح می دهد: «کارگران ماهی را یکی یکی تزریق می کنند. این شدت زیاد است؛ خطر آلودگی متقابل بیماری‌های منتقله از خون وجود دارد، و کارگران ممکن است به طور تصادفی به خود ضربه بزنند، زیرا آنها خیلی سریع کار می‌کنند.

آزمایشگاه مارلی سال‌هاست که میکروسوزن‌های ابریشمی را برای رساندن مواد مغذی به گیاهان تولید می‌کند. ابریشم در پوشش های غذایی به عنوان ایمن برای مصرف انسان طبقه بندی شده است و می تواند در طول زمان در بدن یا محیط زیست تخریب شود.

چند سال پیش، مارلی در کنفرانسی در آسیای جنوب شرقی، که در آن آبزی پروری بخش مهمی از تامین غذای آبزیان است، در مورد چالش های واکسیناسیون ماهی ها آشنا شد. آزمایشگاه او سازگاری سکوی ابریشمی را که برای استفاده در زیر آب برای ماهی ها ایجاد کرده بود، بررسی کرد. اما طرح های اولیه ابریشم به سرعت در معرض آب حل می شوند و واکسن را بلافاصله آزاد می کنند و به پوست ماهی نفوذ نمی کنند.

لی، یک مهندس زیست پزشکی، از سال 2022 شروع به کار روی این پروژه در آزمایشگاه مارلی کرد.

مارلی به لی اعتبار می دهد که راهی برای دور زدن تمایل ابریشم به نرم شدن در مواجهه با آب پیدا کرده است. سیستمی که در مقاله جدید توضیح داده شده است، از یک لایه نازک شلاک، یک رزین ترشح شده از حشرات استفاده می‌کند که در پوشش‌های غذایی و قرص‌ها استفاده می‌شود تا میکروسوزن‌های ابریشم را با ایجاد یک سد رطوبتی که قبل از تزریق ماهی دست نخورده باقی می‌ماند، در برابر آب مقاوم کند.

لی می‌گوید: «انتخاب مواد بسیار مهم است، زیرا ما با غذا سروکار داریم، حتی اگر انتظار داریم که میکروسوزن از ماهی بیرون بیفتد یا در بدن آنها تخریب شود.» معیارهای ما ایمنی برای ماهی و انسان بود.

محققان نشان دادند که میکرونیدل‌ها می‌توانند طیف وسیعی از واکسن‌ها را ذخیره کنند و نسخه‌های مختلفی از میکرونیدل‌ها را نشان دادند که ماندگاری بیشتری در آب داشتند یا واکسن‌ها را سریع‌تر منتشر کردند.

لی می‌گوید: «در برخی موارد، ممکن است بخواهید واکسن در عرض 15 دقیقه منتشر شود، اما در برخی دیگر، انتشار می‌تواند 10 یا حتی 24 ساعت طول بکشد. این می تواند برای سایر کاربردهای درمانی فراتر از واکسن ها بهتر باشد."

این میکروسوزن‌ها همچنین قادر بودند نیمی از ساختار پلاسمیدهای DNA را هنگامی که به مدت چهار هفته در شرایط خشک نگهداری می‌شدند، حفظ کنند.

مارلی می گوید: «این ثبات به ویژه برای آخرین مایل تحویل مهم است، زیرا آبزی پروری بیشتر در مناطق روستایی انجام می شود. این به کشاورزان اجازه می‌دهد تا نیازی به اتکا به زیرساخت‌ها برای حفظ زنجیره سرما نداشته باشند.»

درست مانند واکسن‌های حیوانات خشکی‌زی، واکسن‌های ماهی زمانی مؤثرتر هستند که در اوایل زندگی قبل از قرار گرفتن در معرض بیماری‌ها تجویز شوند. این بدان معناست که ماهی‌هایی که کشاورزان می‌خواهند تزریق کنند کوچک هستند و واکسیناسیون را پیچیده‌تر می‌کنند. محققان بر این باورند که رویکرد آنها می‌تواند راه بهتری برای واکسینه کردن ماهی‌های کوچک ارائه کند و آن‌ها آن را در قزل‌آلای رنگین کمان آزمایش کردند.

وینز می‌گوید: «در پرورش ماهی قزل‌آلا، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی که ما با آن روبرو هستیم، پیشگیری از بیماری در اوایل زندگی ماهی است، زیرا واکسیناسیون سنتی سوزنی تا زمانی که ماهی به حدود 30 گرم (1.1 اونس) برسد، خوب کار نمی‌کند، که باعث می‌شود کوچک‌ترین بچه‌ها در طول یک دوره رشد بحرانی محافظت نشوند.

"آنچه تحقیقات ما نشان می‌دهد این است که میکروسوزن‌های فیبروئین ابریشم درجه‌ی غذایی می‌توانند واکسن‌هایی را در زیر آب به ماهی‌هایی به کوچکی 1 تا 2 گرم (0.04 تا 0.07 اونس) برسانند. ما این میکروسوزن‌های یکبار مصرف را برای سوراخ کردن پوست مرطوب طراحی کرده‌ایم، در حالی که ماهی شنا می‌کند چسبیده بماند و باکتری یا واکسن DNA را آزاد کند.

محققان می گویند هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا دستگاه آنها بتواند به طور یکپارچه در مقیاس در مزارع پرورش ماهی مورد استفاده قرار گیرد. اما آنها معتقدند که این مقاله اولین قدم مهم است.

مارلی می‌گوید: «ما همه مولفه‌ها را داریم که باور کنیم این فناوری می‌تواند بیشتر توسعه یابد. "در حال حاضر چالش های زیادی در رابطه با واکسیناسیون آبزی پروری و ماهی وجود دارد. ما باید از کشاورزان حمایت کنیم تا ایمن فعالیت کنند، شرایط کاری را بهبود ببخشند، از کسب و کارشان محافظت کنند، واکسیناسیون را در دسترس تر کنیم و شرایط زندگی ماهی های پرورشی و در نهایت کیفیت غذایی که می خوریم را بهبود بخشیم. این فناوری جدید می تواند رویکرد بسیار موثرتر و ایمن تر باشد."

منگ لی و همکاران، طراحی میکروسوزن های مقاوم در برابر آب، درجه غذایی برای تزریق ماهی و تحویل محموله زیر آب، ACS Nano (2026). DOI: 10.1021/acsnano.6c06013

ارائه شده توسط موسسه فناوری ماساچوست

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →

این داستان با حسن نیت از MIT News (web.mit.edu/newsoffice/)، یک سایت محبوب که اخبار مربوط به تحقیقات، نوآوری و آموزش MIT را پوشش می دهد، بازنشر شده است.