Malaria blijft een belangrijke doodsoorzaak en bron van ziekte in Afrika, met de grootste impact op kinderen onder de 5 jaar. De meest effectieve manier om de ziekte te voorkomen is met insecticiden die zich richten op volwassen Anopheles-muggen. Door het wijdverbreide gebruik van deze middelen is resistentie tegen de meest gebruikte insecticiden inmiddels wijdverspreid in Afrika. Inzicht in de onderliggende mechanismen die tot dit fenotype leiden, is essentieel om de verspreiding van resistentie te volgen en nieuwe middelen te ontwikkelen om deze te overwinnen.
In deze studie vergeleken we de samenstelling van het microbioom van insecticideresistente Anopheles gambiae-, Anopheles cruzi- en Anopheles arabiensis-populaties uit Burkina Faso met insecticidegevoelige populaties, eveneens uit Ethiopië.
We vonden geen verschillen in de samenstelling van de microbiota tussen insecticideresistente eninsecticide-vatbare populaties in Burkina Faso. Dit resultaat werd bevestigd door laboratoriumonderzoek van kolonies uit twee landen van Burkina Faso. Daarentegen werden bij Anopheles arabiensis-muggen uit Ethiopië duidelijke verschillen in de samenstelling van de microbiota waargenomen tussen de muggen die stierven en de muggen die de blootstelling aan insecticiden overleefden. Om de resistentie van deze Anopheles arabiensis-populatie verder te onderzoeken, hebben we RNA-sequencing uitgevoerd en differentiële expressie gevonden van ontgiftingsgenen die geassocieerd zijn met insecticideresistentie, evenals veranderingen in respiratoire, metabolische en synaptische ionkanalen.
Onze resultaten suggereren dat in sommige gevallen de microbiota, naast veranderingen in het transcriptoom, kan bijdragen aan de ontwikkeling van insecticideresistentie.
Hoewel resistentie vaak wordt beschreven als een genetische component van de Anopheles-vector, hebben recente studies aangetoond dat het microbioom verandert als reactie op blootstelling aan insecticiden, wat suggereert dat deze organismen een rol spelen bij resistentie. Studies naar Anopheles gambiae-muggen in Zuid- en Centraal-Amerika hebben inderdaad significante veranderingen in het epidermale microbioom aangetoond na blootstelling aan pyrethroiden, evenals veranderingen in het algehele microbioom na blootstelling aan organofosfaten. In Afrika is pyrethroidresistentie in verband gebracht met verschuivingen in de samenstelling van de microbiota in Kameroen, Kenia en Ivoire, terwijl in het laboratorium gekweekte Anopheles gambiae-muggen verschuivingen in hun microbiota vertoonden na selectie op pyrethroidresistentie. Bovendien toonde experimentele behandeling met antibiotica en de toevoeging van bekende bacteriën aan in het laboratorium gekoloniseerde Anopheles arabiensis-muggen een verhoogde tolerantie voor pyrethroiden aan. Deze gegevens suggereren gezamenlijk dat insecticideresistentie mogelijk verband houdt met het microbioom van de mug en dat dit aspect van insecticideresistentie benut zou kunnen worden voor de bestrijding van ziekteverwekkers.
In deze studie hebben we 16S-sequencing gebruikt om te bepalen of de microbiota van in het laboratorium gekoloniseerde en in het veld verzamelde muggen in West- en Oost-Afrika verschilden tussen de muggen die de blootstelling aan het pyrethroïde deltamethrin overleefden en de muggen die eraan stierven. In de context van insecticideresistentie kan het vergelijken van microbiota uit verschillende regio's van Afrika met verschillende soorten en resistentieniveaus helpen om regionale invloeden op microbiële gemeenschappen te begrijpen. De laboratoriumkolonies waren afkomstig uit Burkina Faso en werden gekweekt in twee verschillende Europese laboratoria (An. coluzzii in Duitsland en An. arabiensis in het Verenigd Koninkrijk). De muggen uit Burkina Faso vertegenwoordigden alle drie de soorten van het An. gambiae-soortencomplex, en de muggen uit Ethiopië vertegenwoordigden An. arabiensis. We tonen hier aan dat Anopheles arabiensis uit Ethiopië distincte microbiota-profielen vertoonde in levende en dode muggen, terwijl Anopheles arabiensis uit Burkina Faso en de twee laboratoria dit niet deden. Het doel van deze studie is om insecticideresistentie verder te onderzoeken. We hebben RNA-sequencing uitgevoerd op populaties van Anopheles arabiensis en ontdekten dat genen geassocieerd met insecticideresistentie verhoogd tot expressie kwamen, terwijl genen gerelateerd aan ademhaling over het algemeen veranderd waren. Integratie van deze gegevens met een tweede populatie uit Ethiopië identificeerde belangrijke ontgiftingsgenen in de regio. Verdere vergelijking met Anopheles arabiensis uit Burkina Faso bracht significante verschillen in transcriptoomprofielen aan het licht, maar identificeerde nog steeds vier belangrijke ontgiftingsgenen die in heel Afrika overmatig tot expressie kwamen.
Levende en dode muggen van elke soort uit elke regio werden vervolgens gesequenced met behulp van 16S-sequencing en de relatieve abundanties werden berekend. Er werden geen verschillen in alfa-diversiteit waargenomen, wat aangeeft dat er geen verschillen waren in de rijkdom aan operationele taxonomische eenheden (OTU's); de bèta-diversiteit varieerde echter significant tussen landen, en interactietermen voor land en levend/dood-status (PANOVA = 0,001 en 0,008 respectievelijk) gaven aan dat er diversiteit bestond tussen deze factoren. Er werden geen verschillen in bèta-variantie waargenomen tussen landen, wat wijst op vergelijkbare varianties tussen groepen. De Bray-Curtis multivariate schaalplot (Figuur 2A) toonde aan dat de monsters grotendeels gescheiden waren op basis van locatie, maar er waren enkele opmerkelijke uitzonderingen. Verschillende monsters uit de An. arabiensis-gemeenschap en één monster uit de An. coluzzii-gemeenschap overlapten met een monster uit Burkina Faso, terwijl één monster uit de An. arabiensis-monsters uit Burkina Faso overlapte met de An. coluzzii-monsters uit Burkina Faso. arabiensis-gemeenschapsmonsters, wat erop kan wijzen dat de oorspronkelijke microbiota willekeurig over vele generaties en in meerdere regio's is gehandhaafd. De monsters uit Burkina Faso waren niet duidelijk gescheiden naar soort; dit gebrek aan scheiding was te verwachten, aangezien de individuen later werden samengevoegd ondanks dat ze afkomstig waren uit verschillende larvale omgevingen. Studies hebben inderdaad aangetoond dat het delen van een ecologische niche tijdens het aquatische stadium de samenstelling van de microbiota aanzienlijk kan beïnvloeden [50]. Interessant is dat, terwijl de muggenmonsters en -gemeenschappen uit Burkina Faso geen verschillen vertoonden in overleving of sterfte van muggen na blootstelling aan insecticiden, de Ethiopische monsters duidelijk gescheiden waren, wat suggereert dat de microbiotasamenstelling in deze Anopheles-monsters verband houdt met insecticideresistentie. De monsters werden op dezelfde locatie verzameld, wat de sterkere associatie zou kunnen verklaren.
Resistentie tegen pyrethroïde insecticiden is een complex fenotype. Hoewel veranderingen in metabolisme en doelwitten relatief goed bestudeerd zijn, worden veranderingen in de microbiota pas recentelijk onderzocht. In deze studie tonen we aan dat veranderingen in de microbiota in bepaalde populaties mogelijk belangrijker zijn. We karakteriseren de insecticideresistentie in Anopheles arabiensis uit Bahir Dar verder en tonen veranderingen aan in bekende resistentie-geassocieerde transcripten, evenals significante veranderingen in ademhalingsgerelateerde genen die ook al zichtbaar waren in een eerder RNA-seq-onderzoek naar Anopheles arabiensis-populaties uit Ethiopië. Samen suggereren deze resultaten dat insecticideresistentie bij deze muggen afhankelijk kan zijn van een combinatie van genetische en niet-genetische factoren, waarschijnlijk omdat symbiotische relaties met inheemse bacteriën de afbraak van insecticiden in populaties met een lagere resistentie kunnen aanvullen.
Recente studies hebben een verband aangetoond tussen verhoogde ademhaling en insecticideresistentie, wat consistent is met de verrijkte ontologietermen in Bahir Dar RNAseq en de hier verkregen geïntegreerde Ethiopische gegevens. Dit suggereert opnieuw dat resistentie leidt tot verhoogde ademhaling, hetzij als oorzaak, hetzij als gevolg van dit fenotype. Als deze veranderingen leiden tot verschillen in het potentieel voor reactieve zuurstof- en stikstofverbindingen, zoals eerder gesuggereerd, zou dit de vectorcompetentie en microbiële kolonisatie kunnen beïnvloeden door differentiële bacteriële resistentie tegen het wegvangen van ROS door langdurig aanwezige commensale bacteriën.
De hier gepresenteerde gegevens tonen aan dat de microbiota de insecticideresistentie in bepaalde omgevingen kan beïnvloeden. We hebben ook aangetoond dat Anopheles arabiensis-muggen in Ethiopië vergelijkbare transcriptoomveranderingen vertonen die insecticideresistentie veroorzaken; het aantal genen dat overeenkomt met dat in Burkina Faso is echter klein. Er blijven enkele kanttekeningen bij de conclusies die hier en in andere studies zijn getrokken. Ten eerste moet een causaal verband tussen pyrethroïderesistentie en de microbiota worden aangetoond met behulp van metabolomische studies of microbiotatransplantatie. Daarnaast moet de validatie van belangrijke kandidaatgenen in meerdere populaties uit verschillende regio's worden aangetoond. Ten slotte zal het combineren van transcriptoomgegevens met microbiotagegevens door middel van gerichte studies na transplantatie meer gedetailleerde informatie opleveren over de vraag of de microbiota het transcriptoom van de mug direct beïnvloedt met betrekking tot pyrethroïderesistentie. Al met al suggereren onze gegevens echter dat resistentie zowel lokaal als transnationaal is, wat het belang benadrukt van het testen van nieuwe insecticiden in meerdere regio's.
Geplaatst op: 24 maart 2025