Malaria ist nach wie vor eine der häufigsten Todes- und Krankheitsursachen in Afrika, wobei Kinder unter fünf Jahren am stärksten betroffen sind. Die wirksamste Methode zur Vorbeugung der Krankheit sind insektizide Vektorkontrollmittel, die auf erwachsene Anopheles-Mücken abzielen. Infolge des weit verbreiteten Einsatzes dieser Mittel sind in Afrika mittlerweile Resistenzen gegen die gängigsten Insektizidklassen weit verbreitet. Das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die zu diesem Phänotyp führen, ist sowohl für die Verfolgung der Resistenzausbreitung als auch für die Entwicklung neuer Mittel zu ihrer Überwindung von entscheidender Bedeutung.
In dieser Studie verglichen wir die Mikrobiomzusammensetzung insektizidresistenter Populationen von Anopheles gambiae, Anopheles cruzi und Anopheles arabiensis aus Burkina Faso mit insektizidempfindlichen Populationen, ebenfalls aus Äthiopien.
Wir konnten keine Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikrobiota zwischen insektizidresistenten undInsektizid-anfällige Populationen in Burkina Faso. Dieses Ergebnis wurde durch Laborstudien an Kolonien in zwei Ländern Burkina Fasos bestätigt. Im Gegensatz dazu wurden bei Anopheles arabiensis-Mücken aus Äthiopien deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikrobiota zwischen denjenigen beobachtet, die den Insektizidkontakt überlebten und denjenigen, die starben. Um die Resistenz dieser Anopheles arabiensis-Population weiter zu untersuchen, führten wir eine RNA-Sequenzierung durch und fanden eine unterschiedliche Expression von Entgiftungsgenen, die mit Insektizidresistenz assoziiert sind, sowie Veränderungen in respiratorischen, metabolischen und synaptischen Ionenkanälen.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass in einigen Fällen neben Transkriptomveränderungen auch die Mikrobiota zur Entwicklung einer Insektizidresistenz beitragen kann.
Obwohl Resistenzen häufig als genetische Komponente des Anopheles-Überträgers beschrieben werden, haben neuere Studien gezeigt, dass sich das Mikrobiom als Reaktion auf Insektizidexposition verändert, was darauf hindeutet, dass diese Organismen bei der Resistenzbildung eine Rolle spielen. Tatsächlich haben Studien an Anopheles-gambiae-Überträgern in Süd- und Mittelamerika nach Exposition gegenüber Pyrethroiden signifikante Veränderungen des epidermalen Mikrobioms sowie nach Exposition gegenüber Organophosphaten Veränderungen des gesamten Mikrobioms gezeigt. In Afrika wurde Pyrethroidresistenz mit Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota in Kamerun, Kenia und der Elfenbeinküste in Verbindung gebracht, während bei im Labor angepassten Anopheles-gambiae-Mücken nach Selektion auf Pyrethroidresistenz Veränderungen in deren Mikrobiota auftraten. Darüber hinaus zeigten die experimentelle Behandlung mit Antibiotika und die Zugabe bekannter Bakterien bei im Labor kolonisierten Anopheles-arabiensis-Mücken eine erhöhte Toleranz gegenüber Pyrethroiden. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass die Insektizidresistenz möglicherweise mit dem Mikrobiom der Mücken zusammenhängt und dass dieser Aspekt der Insektizidresistenz zur Bekämpfung von Krankheitsüberträgern ausgenutzt werden könnte.
In dieser Studie verwendeten wir 16S-Sequenzierung, um zu bestimmen, ob sich die Mikrobiota von im Labor besiedelten und im Freiland gesammelten Mücken in West- und Ostafrika zwischen denen unterschied, die nach Kontakt mit dem Pyrethroid Deltamethrin überlebten, und denen, die starben. Im Kontext der Insektizidresistenz kann der Vergleich von Mikrobiota aus verschiedenen Regionen Afrikas mit unterschiedlichen Arten und Resistenzgraden dabei helfen, regionale Einflüsse auf mikrobielle Gemeinschaften zu verstehen. Die Laborkolonien stammten aus Burkina Faso und wurden in zwei verschiedenen europäischen Laboren gezüchtet (An. coluzzii in Deutschland und An. arabiensis im Vereinigten Königreich), Mücken aus Burkina Faso repräsentierten alle drei Arten des An. gambiae-Artenkomplexes und Mücken aus Äthiopien repräsentierten An. arabiensis. Hier zeigen wir, dass Anopheles arabiensis aus Äthiopien unterschiedliche Mikrobiota-Signaturen in lebenden und toten Mücken aufwies, während dies bei Anopheles arabiensis aus Burkina Faso und zwei Laboren nicht der Fall war. Ziel dieser Studie ist es, die Insektizidresistenz weiter zu untersuchen. Wir führten eine RNA-Sequenzierung der Anopheles-arabiensis-Populationen durch und stellten fest, dass Gene, die mit Insektizidresistenz assoziiert sind, hochreguliert waren, während atmungsbezogene Gene 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 ergab 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 dann mithilfe der 16S-Sequenzierung sequenziert und die relativen Häufigkeiten berechnet. Es wurden keine Unterschiede in der Alpha-Diversität beobachtet, was darauf hindeutet, dass es keine Unterschiede im Reichtum der operationellen taxonomischen Einheit (OTU) gibt; die Beta-Diversität variierte jedoch erheblich zwischen den Ländern, und die Interaktionsterme für Land und Lebend-/Tot-Status (PANOVA = 0,001 bzw. 0,008) zeigten, dass zwischen diesen Faktoren eine Diversität existierte. Es wurden keine Unterschiede in der Beta-Varianz zwischen den Ländern beobachtet, was auf ähnliche Varianzen zwischen den Gruppen hindeutet. Das multivariate Skalierungsdiagramm von Bray-Curtis (Abbildung 2A) zeigte, dass die Proben weitgehend nach Standort getrennt waren, es gab jedoch einige bemerkenswerte Ausnahmen. Mehrere Proben aus der An. arabiensis-Gemeinschaft und eine Probe aus der An. coluzzii-Gemeinschaft überlappten sich mit einer Probe aus Burkina Faso, während sich eine Probe aus den An. arabiensis-Proben aus Burkina Faso mit der An. arabiensis-Gemeinschaftsprobe, was darauf hindeuten könnte, dass die ursprüngliche Mikrobiota über viele Generationen und über mehrere Regionen hinweg zufällig erhalten blieb. Die Proben aus Burkina Faso waren nicht klar nach Arten getrennt; dieser Mangel an Trennung war zu erwarten, da Individuen trotz ihrer Herkunft aus unterschiedlichen Larvenumgebungen anschließend zusammengefasst wurden. Studien haben tatsächlich gezeigt, dass die gemeinsame Nutzung einer ökologischen Nische während des Wasserstadiums die Zusammensetzung der Mikrobiota erheblich beeinflussen kann [50]. Interessanterweise zeigten die Mückenproben und -gemeinschaften aus Burkina Faso keine Unterschiede hinsichtlich des Überlebens oder der Sterblichkeit der Mücken nach Insektizidexposition, während die äthiopischen Proben klar getrennt waren, was darauf hindeutet, dass die Mikrobiotazusammensetzung in diesen Anopheles-Proben mit Insektizidresistenz verbunden ist. Die Proben wurden am selben Ort gesammelt, was den stärkeren Zusammenhang erklären könnte.
Resistenz gegenüber Pyrethroid-Insektiziden ist ein komplexer Phänotyp und während Veränderungen des Stoffwechsels und der Zielmoleküle relativ gut untersucht sind, beginnt man gerade erst, Veränderungen der Mikrobiota zu erforschen. In dieser Studie zeigen wir, dass Veränderungen der Mikrobiota in bestimmten Populationen wichtiger sein können; wir charakterisieren die Insektizidresistenz bei Anopheles arabiensis aus Bahir Dar weiter und zeigen Veränderungen in bekannten, mit Resistenz verbundenen Transkripten sowie signifikante Veränderungen in mit der Atmung verbundenen Genen, die auch in einer früheren RNA-Sequenzierungsstudie von Anopheles arabiensis-Populationen aus Äthiopien offensichtlich waren. Zusammengenommen weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass die Insektizidresistenz dieser Mücken von einer Kombination aus genetischen und nicht-genetischen Faktoren abhängen könnte, vermutlich weil symbiotische Beziehungen mit einheimischen Bakterien den Insektizidabbau in Populationen mit geringerer Resistenz ergänzen könnten.
Neuere Studien haben eine erhöhte Atmung mit Insektizidresistenz in Verbindung gebracht, was mit den angereicherten Ontologiebegriffen in Bahir Dar RNAseq und den hier erhaltenen integrierten äthiopischen Daten übereinstimmt; was wiederum darauf hindeutet, dass Resistenz zu erhöhter Atmung führt, entweder als Ursache oder als Folge dieses Phänotyps. Wenn diese Veränderungen zu Unterschieden im reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspeziespotenzial führen, wie bereits zuvor vorgeschlagen, könnte dies die Vektorkompetenz und die mikrobielle Besiedlung durch unterschiedliche bakterielle Resistenz gegen ROS-Abfang durch langjährige Kommensalen beeinflussen.
Die hier präsentierten Daten belegen, dass die Mikrobiota die Insektizidresistenz in bestimmten Umgebungen beeinflussen kann. Wir haben auch gezeigt, dass An. arabiensis-Mücken in Äthiopien ähnliche Transkriptomveränderungen aufweisen, die zu Insektizidresistenz führen; die Zahl der Gene, die denen in Burkina Faso entsprechen, ist jedoch gering. Bezüglich der Schlussfolgerungen, die hier und in anderen Studien gezogen wurden, bleiben einige Vorbehalte bestehen. Erstens muss ein kausaler Zusammenhang zwischen dem Überleben von Pyrethroiden und der Mikrobiota mithilfe von Metabolomstudien oder Mikrobiota-Transplantationen nachgewiesen werden. Außerdem muss die Validierung wichtiger Kandidaten in mehreren Populationen aus unterschiedlichen Regionen nachgewiesen werden. Schließlich wird die Kombination von Transkriptomdaten mit Mikrobiotadaten durch gezielte Studien nach der Transplantation detailliertere Informationen darüber liefern, ob die Mikrobiota das Transkriptom der Mücken in Bezug auf Pyrethroidresistenz direkt beeinflusst. Insgesamt deuten unsere Daten jedoch darauf hin, dass die Resistenz sowohl lokal als auch transnational ist, was die Notwendigkeit unterstreicht, neue Insektizidprodukte in mehreren Regionen zu testen.
Veröffentlichungszeit: 24. März 2025