Malaria blijft een belangrijke doodsoorzaak en ziekteoorzaak in Afrika, met de grootste last bij kinderen jonger dan 5 jaar. De meest effectieve manier om de ziekte te voorkomen zijn insecticiden die de volwassen Anopheles-muggen bestrijden. Door de wijdverbreide toepassing van deze interventies is resistentie tegen de meest gebruikte insecticidenklassen nu wijdverspreid in Afrika. Inzicht in de onderliggende mechanismen die tot dit fenotype leiden, is essentieel om de verspreiding van resistentie te volgen en nieuwe methoden te ontwikkelen om deze te overwinnen.
In deze studie vergeleken we de microbioomsamenstelling van insecticide-resistente Anopheles gambiae-, Anopheles cruzi- en Anopheles arabiensis-populaties uit Burkina Faso met insecticide-gevoelige populaties, ook uit Ethiopië.
We vonden geen verschillen in de samenstelling van de microbiota tussen insecticide-resistente eninsecticide-gevoelige populaties in Burkina Faso. Dit resultaat werd bevestigd door laboratoriumonderzoek van kolonies uit twee Burkina Faso-landen. Daarentegen werden bij Anopheles arabiensis-muggen uit Ethiopië duidelijke verschillen in de microbiotasamenstelling waargenomen tussen de gestorven en de overlevende muggen. Om de resistentie van deze Anopheles arabiensis-populatie verder te onderzoeken, voerden we RNA-sequencing uit en ontdekten we differentiële expressie van detoxificatiegenen die geassocieerd zijn met resistentie tegen insecticiden, evenals veranderingen in de ademhalings-, stofwisselings- en synaptische ionkanalen.
Uit onze resultaten blijkt dat de microbiota in sommige gevallen, naast veranderingen in het transcriptoom, kan bijdragen aan de ontwikkeling van resistentie tegen insecticiden.
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 van Anopheles gambiae-muggenvectoren in Zuid- en Midden-Amerika hebben inderdaad significante veranderingen in het epidermale microbioom aangetoond na blootstelling aan pyrethroïden, evenals veranderingen in het algehele microbioom na blootstelling aan organofosfaten. In Afrika is pyrethroïderesistentie in verband gebracht met verschuivingen in de samenstelling van de microbiota in Kameroen, Kenia en Ivoorkust, terwijl in het laboratorium aangepaste Anopheles gambiae verschuivingen in hun microbiota hebben laten zien na selectie voor pyrethroïderesistentie. Bovendien toonde experimentele behandeling met antibiotica en de toevoeging van bekende bacteriën in in het laboratorium gekoloniseerde Anopheles arabiensis-muggen een verhoogde tolerantie voor pyrethroïden. Deze gegevens suggereren dat resistentie tegen insecticiden verband kan houden met het muggenmicrobioom en dat dit aspect van resistentie tegen insecticiden kan worden benut voor de bestrijding van ziekteoverbrengende stoffen.
In deze studie gebruikten we 16S-sequencing om te bepalen of de microbiota van in het laboratorium gekoloniseerde en in het veld verzamelde muggen in West- en Oost-Afrika verschilden tussen degenen die overleefden en degenen die stierven na blootstelling aan het pyrethroïde deltamethrin. In de context van resistentie tegen insecticiden kan het vergelijken van microbiota uit verschillende regio's van Afrika met verschillende soorten en niveaus van resistentie helpen bij het begrijpen van regionale invloeden op microbiële gemeenschappen. Laboratoriumkolonies waren afkomstig uit Burkina Faso en gekweekt in twee verschillende Europese laboratoria (An. coluzzii in Duitsland en An. arabiensis in het Verenigd Koninkrijk), muggen uit Burkina Faso vertegenwoordigden alle drie de soorten van het An. gambiae-soortencomplex, en muggen uit Ethiopië vertegenwoordigden An. arabiensis. Hier laten we zien dat Anopheles arabiensis uit Ethiopië verschillende microbiota-signaturen had in levende en dode muggen, terwijl Anopheles arabiensis uit Burkina Faso en twee laboratoria dat niet had. Het doel van deze studie is om resistentie tegen insecticiden verder te onderzoeken. We voerden RNA-sequencing uit op de Anopheles arabiensis-populaties en ontdekten dat genen die geassocieerd worden met resistentie tegen insecticiden verhoogd waren, terwijl genen die verband houden met ademhaling over het algemeen veranderd waren. Integratie van deze gegevens met een tweede populatie uit Ethiopië identificeerde belangrijke detoxificatiegenen in de regio. Verdere vergelijking met Anopheles arabiensis uit Burkina Faso toonde significante verschillen in transcriptoomprofielen, maar identificeerde nog steeds vier belangrijke detoxificatiegenen die overmatig tot expressie kwamen in heel Afrika.
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 alfadiversiteit waargenomen, wat aangeeft dat er geen verschillen zijn in de rijkdom aan operationele taxonomische eenheden (OTU); de bètadiversiteit varieerde echter significant tussen landen, en interactietermen voor land en levend/dood-status (PANOVA = respectievelijk 0,001 en 0,008) gaven aan dat er diversiteit bestond tussen deze factoren. Er werden geen verschillen in bètavariantie waargenomen tussen landen, wat wijst op vergelijkbare varianties tussen groepen. De Bray-Curtis multivariate schaalgrafiek (Figuur 2A) toonde aan dat monsters grotendeels waren gescheiden per locatie, maar er waren enkele opmerkelijke uitzonderingen. Verschillende monsters van de An. arabiensis-gemeenschap en één monster van de An. coluzzii-gemeenschap overlapten met een monster uit Burkina Faso, terwijl één monster van de An. arabiensis-monsters uit Burkina Faso overlapt met de An. arabiensis-gemeenschapsmonster, wat kan aangeven dat de oorspronkelijke microbiota willekeurig werd gehandhaafd gedurende vele generaties en over meerdere regio's. De monsters uit Burkina Faso waren niet duidelijk gescheiden per soort; dit gebrek aan segregatie was verwacht aangezien individuen vervolgens 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 waren gescheiden, wat suggereert dat de microbiota-samenstelling in deze Anopheles-monsters verband houdt met resistentie tegen insecticiden. De monsters werden verzameld op dezelfde locatie, wat de sterkere associatie kan verklaren.
Resistentie tegen pyrethroïde insecticiden is een complex fenotype, en hoewel veranderingen in metabolisme en doelwitten relatief goed bestudeerd zijn, beginnen veranderingen in de microbiota pas onderzocht te worden. In deze studie laten we zien dat veranderingen in de microbiota mogelijk belangrijker zijn in bepaalde populaties; we karakteriseren verder de resistentie tegen insecticiden in Anopheles arabiensis van Bahir Dar en tonen veranderingen aan in bekende resistentie-geassocieerde transcripten, evenals significante veranderingen in ademhalingsgerelateerde genen die ook duidelijk waren in een eerdere RNA-seq-studie van Anopheles arabiensis-populaties uit Ethiopië. Samen suggereren deze resultaten dat resistentie tegen insecticiden bij deze muggen mogelijk afhangt van een combinatie van genetische en niet-genetische factoren, waarschijnlijk omdat symbiotische relaties met inheemse bacteriën de afbraak van insecticiden in populaties met lagere resistentieniveaus kunnen aanvullen.
Recente studies hebben een verhoogde ademhaling gekoppeld aan resistentie tegen insecticiden, wat consistent is met de verrijkte ontologietermen in Bahir Dar RNAseq en de hier verkregen geïntegreerde Ethiopische data; dit suggereert wederom dat resistentie resulteert in verhoogde ademhaling, hetzij als oorzaak, hetzij als gevolg van dit fenotype. Als deze veranderingen leiden tot verschillen in het potentieel van reactieve zuurstof- en stikstofsoorten, zoals eerder gesuggereerd, zou dit de vectorcompetentie en microbiële kolonisatie kunnen beïnvloeden via differentiële bacteriële resistentie tegen ROS-verwijdering door commensale bacteriën op lange termijn.
De hier gepresenteerde gegevens tonen aan dat de microbiota de resistentie tegen insecticiden in bepaalde omgevingen kan beïnvloeden. We hebben ook aangetoond dat An. arabiensis-muggen in Ethiopië vergelijkbare transcriptoomveranderingen vertonen die leiden tot resistentie tegen insecticiden; het aantal genen dat overeenkomt met die in Burkina Faso is echter klein. Er blijven verschillende kanttekeningen staan bij de conclusies die hier en in andere studies zijn getrokken. Ten eerste moet een causaal verband tussen de overleving van pyrethroïde en de microbiota worden aangetoond met behulp van metabolomische studies of microbiotatransplantatie. Daarnaast moet de validatie van sleutelkandidaten in meerdere populaties uit verschillende regio's worden aangetoond. Ten slotte zal het combineren van transcriptoomgegevens met microbiotagegevens via gerichte posttransplantatiestudies meer gedetailleerde informatie opleveren over de vraag of de microbiota het transcriptoom van muggen direct beïnvloedt met betrekking tot pyrethroïderesistentie. Samengevat suggereren onze gegevens echter dat resistentie zowel lokaal als transnationaal is, wat de noodzaak onderstreept om nieuwe insecticiden in meerdere regio's te testen.
Plaatsingstijd: 24-03-2025