Driedimensionale reconstructie van het voedingsapparaat van de teek Ixodes ricinus (Acari: Ixodidae): een nieuw inzicht in het mechanisme van bloed-voeding

Röntgenopnames van de vrouwelijke I. ricinus

Hieruit blijkt dat de x-ray CRYTUR set-up (gebaseerd op X-RayWorx microfocus, de röntgenbron, en CRYCAM röntgendetector) is zeer geschikt om snel en een niet-destructieve observatie van osmium geïmpregneerd interne structuren van vrouwelijke teken te bieden. Figuur 1A toont cheliceral retractor spieren te bereiken tot het gebied van de tweede paar van de benen, de diktes van de cuticula, spieren binnen benen, en palpen (Fig. 1A, Movie 1). Het 3D model, verkregen uit 2D röntgenopnamen, verschafte verdere ruimtelijke informatie over de oppervlakkige structuren van het vrouwelijke capitulum (Fig. 1B), vergelijkbaar met de voorbeeldopnamen door SEM (Fig. 1D), met als resultaat de mogelijkheid om ook enkele inwendige structuren te visualiseren (b.v. spieren, basis van cheliceren en pharynx) op verschillende virtuele doorsneden (Fig. 1B). De resolutie van de röntgentomografie was 8,060 µm en werd berekend op basis van Fourier analyse van een gereconstrueerde virtuele doorsnede in de laterale vlakte aanwezig in het midden van het gereconstrueerde object. Wij construeerden een grafiek van het radiaal gemiddelde vermogensspectrum en op basis van het Rayleigh-criterium beoordelen wij de scheiding tussen signaal en ruis bij 8,94% van de afstand tussen de ruisvloer en de piekwaarde. Aangezien het röntgenmodel werd gereconstrueerd uit de projectiebeelden in het bereik van 0° tot 180° met stap 10°, is de resolutie technisch bijna isotroop. Deze resolutie was echter niet voldoende voor de waarneming van nymphale monddelen (Fig. 1C,D, zie de vergelijking van de afmetingen van zowel de vrouwelijke als de nymphale monddelen bij dezelfde vergroting).

SEM

Het 3D-model van het voedingsapparaat van I. ricinus nimfen dat gereconstrueerd werd op basis van seriële ultradunne harsdoorsneden onthulde relaties van het salivarium en het voedselkanaal met capitulaire styletten (chelicerae, hypostome) en andere geassocieerde structuren, voornamelijk spieren (Fig. 2, films 2 en 3)14.

Het speeksel en het bloedmeel worden uit het capitulum gestoten/gezogen in een smalle spleet, het preorale kanaal, die wordt gevormd tussen de groef van het hypostoom aan de ventrale zijde en de chelicerae aan de dorsale zijde (Fig. 2A). Bij Rhipicephalus (voorheen Boophilus) microplus bedekt een dun membraan, ook goot genoemd, de hypostomale groef12. Interessant is dat deze structuur ontbrak bij Ixodes hexagonus9, Haemaphysalis longicornus15 en I. ricinus. Binnen het capitulum gaat het speeksel/bloed verder in de holte van het salivarium, en deze gemeenschappelijke weg eindigt door een scheiding van een voedselkanaal met het salivarium (Fig. 2A,B). Vanaf de dorsale zijde van de teek bevindt het voedselkanaal zich onder het salivarium. Het salivarium is geen permanent gefixeerde structuur, maar ontstaat door de plaatsing van de cheliceren boven de dorsale zijde van het hypostoom. Het voedselkanaal scheidt zich van de gemeenschappelijke weg door opening in de keelholte. Het dak ervan wordt aanvankelijk gevormd door een kleine lamel (Fig. 2B, groene pijl) die zich uitbreidt tot een korte staaf binnen de diepte van het capitulum (Fig. 2C,I groen) en zich voortzet als een grotere gesclerotiseerde vleugelachtige plaat (ook wel alae genoemd) (Fig. 2E,I, groen). Al deze structuren samen vormen een labrum. Aan het onderste deel van het labrum bevindt zich een tandvormig process naast de keelholteopening (Fig. 2C,E, zwarte pijlen). Deze tandvormige structuur werd beschreven bij I. hexagonus, I. holocyclus, en Rhipicephalus microplus9,12,16. Het tandvormige uitsteeksel lijkt in een groef van de keelholte te passen en wordt daarom verondersteld een belangrijk onderdeel van de keelholte-klep te zijn. De identificatie van dit tandachtige proces als het labrum wordt gerechtvaardigd door de gelijkenis met het labrum van argaside teken, dat zich eveneens van het faryngeale dak tot in het voedselkanaal uitstrekt13,16. De anatomische structuur van het voedselkanaal, het kleine labrum en de klep bij I. ricinus is in overeenstemming met het langzame voedingsproces bij deze teken, waarbij lange pulsen van zuigen worden afgewisseld met de pulsen van speekselafscheiding tijdens hun lange periode van bloed-eten. Bij zachte teken daarentegen strekt het labrum zich distaal uit over de gehele lengte van het voedselkanaal. Dit is in overeenstemming met het snelle voedingsproces bij deze teken, waarbij het snelle fladderen van het labrum gesynchroniseerd wordt met snel zuigen en speekselen om zich binnen slechts 1-2 uur te voeden13. Op basis van onze EM waarnemingen was dit voorste deel van het faryngeale dak niet verbonden met spieren en vormt het waarschijnlijk een stationair (ondersteunend) deel van de klep (Fig. 2B). Het faryngeale dak is verbonden met sub-hypostome platen die de zijkanten en een vloer van de farynx vormen (Fig. 2C witte pijlen). Deze platen zijn verbonden met de grote dilatatiespierbanden die aan hun tegenovergestelde zijden aan de ventrale cuticula vastzitten. De voorste dilatatiespieren van de keelholte (ADM, in fig. 2C,E,I weergegeven als lichtroze gekleurde structuren) bevinden zich alleen in het voorste deel van de keelholte en hun contractie/ontspanning maakt het mogelijk de klep in de keelholte te openen/sluiten9,12. ADM zijn bevestigd aan de bovenste hoek en de diepste laterale zijden van het voorste deel van de keelholte. Het middelste deel van de wanden van de keelholte is verbonden met een andere groep dilatatorspieren waarvan de contractie de keelholte naar opzij doet uitzetten. Deze laterale dilatator spieren van de keelholte (LDM) zijn te zien in Fig. 2G en als diep roze gekleurde structuren in Fig. 2I,J. LDM maakt een massieve vergroting van het faryngeale lumen mogelijk, mogelijk mede door de dubbele Y-vormige wand in het voorste deel (Fig. 2G) en de drievoudige Y-vormige wand in het achterste deel van de farynx in een transversale doorsnede (Fig. 2H) beschreven door Arthur et al.9 en Sonenshine en Anderson13. Afwisseling van contractie en relaxatie van beide dilatator-spiergroepen verwijdt de farynx, gesynchroniseerd met de opening van de voorste klep, waardoor een krachtige zuigimpuls ontstaat. Ontspanning van de LDM, na het sluiten van de faryngeale klep, perst de farynx dicht en drijft het ingenomen bloed posterieur in de slokdarm en de middendarm. Tijdsynchronisatie tussen het openen/sluiten van de faryngeale opening, gecoördineerd met het openen en sluiten van de faryngeale klep en het samendrukken/vergroten van het lumen in het middengedeelte van de farynx maakt zuigen mogelijk, evenals verplaatsing van het voedsel naar de slokdarm en voorkomt tevens regurgitatie van het bloed terug in de gastheer9,12. De binnenbekleding van de keelholte is gesclerotiseerd, terwijl de slokdarmwand bekleed is met epitheelcellen (Fig. 2A). De slokdarm passeert het synganglion en versmelt met het middendarmkanaal (gegevens niet weergegeven).

Het salivarium is een grote holte gelegen tussen de keelholte en de chelicerae (Fig. 2A-E). Het voorste deel van het salivarium wordt gedeeld voor zowel bloed- als speekselpassage, vervolgens wordt de keelholte van de salivariumbodem gescheiden door de kleine lamel (zie boven). Het dak en de laterale zijden van het salivarium worden verstevigd door de gesclerotiseerde cheliceral plaat (ChP in Fig. 2C,E,F en rode structuur afgebeeld in Fig. 2M) die zich verder uitstrekt in de holte van het tekenlichaam. In het achterste deel van het salivarium zijn de laterale zijden van deze plaat verbonden met spieren die aan de tegenovergestelde uiteinden vastzitten aan de laterale zijden van de lichaamsholte van de teek. Deze laterale spieren van het salivarium (LMS), zijn te zien in Fig. 2E,F,K,L gemarkeerd in licht paars. Door het samentrekken van de spieren wordt de plaat, die nauw met de wand van het salivarium is verbonden, platgedrukt, wat leidt tot vernauwing/afsluiting van de binnenruimte van het salivarium, echter alleen in het achterste deel achter de scheiding van de keelholte.

Daarnaast is de bodem van het achtereinde van het salivarium verbonden met een kleine schuine spiergroep (aan de salivariumbodem vastzittende spieren, MS in Fig. 2E,F,J,N, aangegeven met lichtblauw) die aan de tegenoverliggende delen verbonden zijn met het bovenste deel van de voorzijde van de keelholte. Deze spieren maken op- en neerwaartse beweging van het achterste deel van de salivariumbodem mogelijk. Deze spieren zijn beschreven bij vrouwelijke I. holocyclus16. De mogelijkheid dat de bodem van het salivarium kan worden verlaagd of verhoogd is eerder geopperd in verband met snelle speekseluitbarstingen op basis van een registratie van elektrische signalen tijdens de zwelgtijd van R. microplus en Dermacentor andersoni12,17,18,19,20. Tijdens het speekselen van R. microplus werden snelle (tot 30 per sec) neerwaartse ombuigingen in de geleiding waargenomen, gevolgd door grotere pieken aan het einde van het speekselen. Een verklaring voor deze metingen is het samentrekken van de spieren in het voorste deel van de keelholte, gepaard gaande met een soortgelijke pulsatie van het membraan over het voedselkanaal (hypostomale goot) dat een kanaal opent voor de uitdrijving van het speeksel20. Wij veronderstellen dat de kleine schuine spieren die aan de bodem van het speekselbekken vastzitten, trillingen kunnen opwekken die de speekselverplaatsing vergemakkelijken. Maar ook laterale spieren die de diameter van de binnenruimte van het salivarium beïnvloeden, kunnen bijdragen tot het uitdrijven van het speeksel uit de monddelen (niet opgenomen in de animatie). Wij suggereren dat de beweging van de cheliceren in de huid van de gastheer ook kan helpen om het speeksel uit het salivarium in de huid van de gastheer te verdrijven. De chelicerale bases (ChB in Fig. 2A,B) bevinden zich direct boven het salivarium (vanuit het dorsaal zicht) en we speculeren dat deze structuren plaatselijk het salivarium kunnen samendrukken om de speekseluitdrijving te helpen. Uitbreidingen van de cheliceren, die enigszins asynchroon waren, werden waargenomen met twee-foton intra-vitale microscopie direct binnen de voederplaats gedurende de gehele periode van I. scapularis engorgement21. We stelden vast dat de chelicerae op een licht asynchrone manier beginnen te bewegen na het aanbrengen van pilocarpine op de dorsale cuticula van ongevoede en gedeeltelijk gevoede vrouwelijke I. ricinus (respectievelijk films 5 en 6). De cheliceral bases (ChB in Fig. 2A,B) bevinden zich direct boven het salivarium (vanuit het dorsaal zicht) en we kunnen speculeren dat deze structuren het salivarium kunnen uitzetten of samendrukken en helpen bij het uitdrijven van het speeksel. Het is bekend dat pilocarpine, een cholinerge niet-endogene drug, speekselvorming indirect induceert via het centrale zenuwstelsel van de teek22 , terwijl het effect op andere weefsels van de teek onduidelijk blijft. Daarom kunnen we de pilocarpine-gemedieerde beweging van chelicerae in onze experimenten niet uitsluiten als een bijkomend effect van dit geneesmiddel bij teken. Bockenstedt et al. suggereerden dat chelicerae collageenvezels terugduwen die de voedingsplaats kunnen samendrukken, wat onze hypothesen van chelicerae gemedieerde speekseluitdrijving naar de gastheer sterk bevestigt.21

Nauwelijks voor het einde van de salivariumholte komen gepaarde speekselkanalen in de laterale hoeken binnen.13 Beide speekselkanalen zijn in de laterale hoeken van de holte geplaatst. Beide speekselkanalen zijn omgeven door een vel weefsel (TSD in Fig. 2C,E,F,M,N, donkerpaars) dat waarschijnlijk de speekselkanalen flexibel aan de laterale hoeken van het salivarium vastzet.

Simulatie van het speekselen en opzuigen van het bloed op basis van het 3D-model

Tijdens het voedingsproces van ixodide teken wordt het speekselen afgewisseld met het langzaam of snel opzuigen van het bloed en kan er een rustperiode zijn. De percentages van de tijd die aan elke activiteit wordt besteed tijdens de stuwing van het wijfje zijn variabel en gebaseerd op het tijdstip van de dag, de grootte van de teken, enz.18. In Movie 4 zijn zowel het voedselkanaal als het kanaal voor de passage van speeksel met de bijbehorende structuren geanimeerd en wordt getoond hoe deze structuren functioneren. Het voedingsproces van de meeste ixodide teken begint met de afscheiding van cementachtige substanties, waardoor de teek in de huid van de gastheer kan worden gefixeerd en de opening tussen de voedingslaesie en de ingebrachte monddelen kan worden afgesloten23,24,25. De speekselperiode kan worden afgesloten met een korte uitbarsting van speeksel16,17,18,19. De uitdrijving van het speeksel wordt waarschijnlijk vergemakkelijkt door de trilling van het achterste deel van de salivariumbodem; ook beweging van de cheliceral bases kan een rol spelen (Movie 6). Voordat het bloedzuigen begint, wordt de opening van het achterste deel van het salivarium vernauwd door de laterale spieren die zich uitstrekken tussen het salivariumdak en de laterale wand van het tekenlichaam. Deze actie wordt gevolgd door het openen van de faryngeale klep en een expansie van de voorste farynx, veroorzaakt door het samentrekken van de voorste dilatatorspieren. Vervolgens wordt het middendeel van de keelholte langs zijn lengteas uitgerekt en wordt het bloed in de keelholte gezogen. De voorste faryngeale klep wordt gesloten voordat de faryngeale wand weer samentrekt en het bloed posterieur naar de slokdarm wordt geduwd. Deze peristaltische golf wordt herhaald totdat de speekselvorming begint. Bij het begin van de speekselvloed ontspannen de laterale restrictiespieren van het speekselvlies zich, waardoor de holte van het speekselvlies groter wordt. Herhaaldelijk zakken en stijgen van het salivariumdak in zijn achterste deel vergemakkelijkt waarschijnlijk de afgifte van speeksel aan het pre-orale kanaal.