Malaria ist in Afrika weiterhin eine der Hauptursachen für Tod und Krankheit, wobei Kinder unter fünf Jahren am stärksten betroffen sind. Die wirksamsten Mittel zur Prävention der Krankheit sind insektizide Vektorkontrollmittel, die auf adulte Anopheles-Mücken abzielen. Aufgrund des weitverbreiteten Einsatzes dieser Mittel ist die Resistenz gegen die gängigsten Insektizidklassen in Afrika mittlerweile weit verbreitet. Das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, die zu diesem Phänotyp führen, ist unerlässlich, um die Ausbreitung der Resistenz zu verfolgen und neue Strategien zu ihrer Überwindung zu entwickeln.
In dieser Studie verglichen wir die Zusammensetzung des Mikrobioms von insektizidresistenten Populationen von Anopheles gambiae, Anopheles cruzi und Anopheles arabiensis aus Burkina Faso mit insektizidempfindlichen Populationen, die ebenfalls aus Äthiopien stammen.
Wir fanden keine Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikrobiota zwischen insektizidresistenten undInsektizidIn Burkina Faso wurden Populationen mit erhöhter Insektizidempfindlichkeit identifiziert. Dieses Ergebnis wurde durch Laboruntersuchungen an Kolonien aus zwei Ländern Burkina Fasos bestätigt. Im Gegensatz dazu zeigten Anopheles arabiensis-Mücken aus Äthiopien deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikrobiota zwischen den nach Insektizidexposition verstorbenen und den überlebenden Tieren. Um die Resistenz dieser Anopheles arabiensis-Population weiter zu untersuchen, führten wir eine RNA-Sequenzierung durch und fanden eine differentielle Expression von Entgiftungsgenen, die mit Insektizidresistenz assoziiert sind, sowie Veränderungen in respiratorischen, metabolischen und synaptischen Ionenkanälen.
Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass die Mikrobiota in einigen Fällen zusätzlich zu Veränderungen des Transkriptoms auch zur Entwicklung von Insektizidresistenzen beitragen kann.
Obwohl Resistenz häufig als genetische Komponente des Anopheles-Vektors beschrieben wird, zeigen neuere Studien, dass sich das Mikrobiom als Reaktion auf Insektizidexposition verändert, was auf eine Rolle dieser Organismen bei der Resistenz hindeutet. Tatsächlich zeigten Studien an Anopheles gambiae-Mückenvektoren in Süd- und Mittelamerika signifikante Veränderungen im epidermalen Mikrobiom nach Pyrethroidexposition sowie Veränderungen im Gesamtmikrobiom nach Exposition gegenüber Organophosphaten. In Afrika wurde Pyrethroidresistenz mit Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota in Kamerun, Kenia und der Elfenbeinküste in Verbindung gebracht, während im Labor adaptierte Anopheles gambiae nach Selektion auf Pyrethroidresistenz Veränderungen in ihrer Mikrobiota aufwiesen. Darüber hinaus zeigte die experimentelle Behandlung von im Labor kolonisierten Anopheles arabiensis-Mücken mit Antibiotika und die Zugabe bekannter Bakterien eine erhöhte Toleranz gegenüber Pyrethroiden. Zusammengenommen legen diese Daten nahe, dass die Insektizidresistenz mit dem Mikrobiom der Mücke zusammenhängen könnte und dass dieser Aspekt der Insektizidresistenz zur Bekämpfung von Krankheitsüberträgern genutzt werden könnte.
In dieser Studie wurde mittels 16S-Sequenzierung untersucht, ob sich die Mikrobiota von im Labor kolonisierten und in freier Wildbahn gesammelten Stechmücken in West- und Ostafrika zwischen überlebenden und verstorbenen Tieren nach Exposition gegenüber dem Pyrethroid Deltamethrin unterscheiden. Im Hinblick auf Insektizidresistenz kann der Vergleich der Mikrobiota verschiedener Regionen Afrikas mit unterschiedlichen Arten und Resistenzgraden zum Verständnis regionaler Einflüsse auf mikrobielle Gemeinschaften beitragen. Die Laborkolonien stammten aus Burkina Faso und wurden in zwei verschiedenen europäischen Laboren gezüchtet (Anopheles coluzzii in Deutschland und Anopheles arabiensis im Vereinigten Königreich). Die Stechmücken aus Burkina Faso repräsentierten alle drei Arten des Anopheles-gambiae-Artenkomplexes, die Stechmücken aus Äthiopien Anopheles arabiensis. Wir zeigen hier, dass Anopheles arabiensis aus Äthiopien in lebenden und toten Stechmücken distinkte Mikrobiota-Signaturen aufwies, während dies bei Anopheles arabiensis aus Burkina Faso und den beiden Laboren nicht der Fall war. Ziel dieser Studie ist die weitere Erforschung der Insektizidresistenz. Wir führten RNA-Sequenzierungen an Populationen von Anopheles arabiensis durch und stellten fest, dass Gene, die mit Insektizidresistenz assoziiert sind, hochreguliert waren, während Gene, die mit der Atmung in Zusammenhang stehen, generell verändert waren. Die Integration dieser Daten mit einer zweiten Population aus Äthiopien identifizierte wichtige Entgiftungsgene in der Region. Ein weiterer Vergleich mit Anopheles arabiensis aus Burkina Faso zeigte signifikante Unterschiede in den Transkriptomprofilen, identifizierte aber dennoch vier wichtige Entgiftungsgene, die in ganz Afrika überexprimiert waren.
Lebende und tote Mücken jeder Art aus jeder Region wurden anschließend mittels 16S-Sequenzierung sequenziert und ihre relative Häufigkeit berechnet. Es wurden keine Unterschiede in der Alpha-Diversität beobachtet, was auf keine Unterschiede in der Anzahl der operationellen taxonomischen Einheiten (OTUs) hindeutet. Die Beta-Diversität variierte jedoch signifikant zwischen den Ländern, und Interaktionsterme für Land und lebend/tot-Status (PANOVA = 0,001 bzw. 0,008) zeigten, dass zwischen diesen Faktoren Diversität bestand. Es wurden keine Unterschiede in der Beta-Varianz zwischen den Ländern beobachtet, was auf ähnliche Varianzen zwischen den Gruppen hindeutet. Das Bray-Curtis-Multivariat-Skalierungsdiagramm (Abbildung 2A) zeigte, dass die Proben weitgehend nach Standort getrennt waren, es jedoch einige bemerkenswerte Ausnahmen gab. Mehrere Proben der An. arabiensis-Gemeinschaft und eine Probe der An. coluzzii-Gemeinschaft überschnitten sich mit einer Probe aus Burkina Faso, während sich eine Probe der An. arabiensis-Proben aus Burkina Faso mit der An. Die Zusammensetzung der Anopheles-Gemeinschaft in der Probe könnte darauf hindeuten, dass die ursprüngliche Mikrobiota über viele Generationen und verschiedene Regionen hinweg zufällig erhalten blieb. Die Proben aus Burkina Faso waren nicht klar nach Arten getrennt; diese fehlende Trennung war zu erwarten, da die Individuen trotz ihrer Herkunft aus unterschiedlichen Larvenhabitaten anschließend zusammengefasst wurden. Studien haben gezeigt, dass die gemeinsame Nutzung einer ökologischen Nische während des aquatischen Stadiums die Zusammensetzung der Mikrobiota signifikant beeinflussen kann [50]. Interessanterweise zeigten die Mückenproben und -gemeinschaften aus Burkina Faso keine Unterschiede im Überleben oder der Mortalität der Mücken nach Insektizidexposition, während die äthiopischen Proben deutlich getrennt waren. Dies legt nahe, dass die Zusammensetzung der Mikrobiota in diesen Anopheles-Proben mit Insektizidresistenz zusammenhängt. Die Proben wurden am selben Ort gesammelt, was den stärkeren Zusammenhang erklären könnte.
Die Resistenz gegen Pyrethroid-Insektizide ist ein komplexer Phänotyp. Während Veränderungen im Stoffwechsel und an den Zielstrukturen relativ gut untersucht sind, werden Veränderungen der Mikrobiota erst seit Kurzem erforscht. In dieser Studie zeigen wir, dass Veränderungen der Mikrobiota in bestimmten Populationen eine größere Rolle spielen könnten. Wir charakterisieren die Insektizidresistenz von Anopheles arabiensis aus Bahir Dar und zeigen Veränderungen in bekannten resistenzassoziierten Transkripten sowie signifikante Veränderungen in Atmungsgenen, die auch in einer früheren RNA-Seq-Studie an Anopheles-arabiensis-Populationen aus Äthiopien beobachtet wurden. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Insektizidresistenz dieser Mücken von einer Kombination genetischer und nicht-genetischer Faktoren abhängt. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass symbiotische Beziehungen mit einheimischen Bakterien den Insektizidabbau in Populationen mit geringerer Resistenz ergänzen können.
Jüngste Studien haben einen Zusammenhang zwischen erhöhter Atmung und Insektizidresistenz aufgezeigt, was mit den angereicherten Ontologie-Termen in den RNA-Sequenzdaten aus Bahir Dar und den hier gewonnenen integrierten äthiopischen Daten übereinstimmt. Dies deutet erneut darauf hin, dass Resistenz zu erhöhter Atmung führt, entweder als Ursache oder Folge dieses Phänotyps. Sollten diese Veränderungen, wie bereits vermutet, zu Unterschieden im Potenzial reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies führen, könnte dies die Vektorkompetenz und die mikrobielle Kolonisierung durch unterschiedliche bakterielle Resistenz gegenüber der ROS-Abfangung durch langfristig kommensale Bakterien beeinflussen.
Die hier präsentierten Daten belegen, dass die Mikrobiota die Insektizidresistenz in bestimmten Umgebungen beeinflussen kann. Wir konnten zudem zeigen, dass Anopheles arabiensis-Mücken in Äthiopien ähnliche Transkriptomveränderungen aufweisen, die zu Insektizidresistenz führen; die Anzahl der entsprechenden Gene in Burkina Faso ist jedoch gering. Die hier und in anderen Studien gezogenen Schlussfolgerungen sind mit einigen Einschränkungen verbunden. Erstens muss ein kausaler Zusammenhang zwischen Pyrethroid-Überleben und der Mikrobiota mittels metabolomischer Studien oder Mikrobiota-Transplantation nachgewiesen werden. Zweitens ist die Validierung wichtiger Kandidaten in verschiedenen Populationen aus unterschiedlichen Regionen erforderlich. Drittens wird die Kombination von Transkriptom- und Mikrobiota-Daten durch gezielte Post-Transplantations-Studien detailliertere Informationen darüber liefern, ob die Mikrobiota das Mücken-Transkriptom im Hinblick auf Pyrethroidresistenz direkt beeinflusst. Zusammengenommen deuten unsere Daten jedoch darauf hin, dass Resistenz sowohl lokal als auch transnational auftritt, was die Notwendigkeit unterstreicht, neue Insektizide in verschiedenen Regionen zu testen.
Veröffentlichungsdatum: 24. März 2025