Malaria är fortfarande en viktig orsak till dödsfall och sjukdomar i Afrika, med den största belastningen bland barn under 5 år. Det mest effektiva sättet att förebygga sjukdomen är insekticida vektorkontrollmedel som riktar sig mot vuxna Anopheles-myggor. Som ett resultat av den utbredda användningen av dessa ingrepp är resistens mot de vanligaste klasserna av insekticider nu utbredd i hela Afrika. Att förstå de bakomliggande mekanismerna som leder till denna fenotyp är avgörande både för att spåra spridningen av resistens och för att utveckla nya verktyg för att övervinna den.
I denna studie jämförde vi mikrobiomsammansättningen hos insekticidresistenta Anopheles gambiae-, Anopheles cruzi- och Anopheles arabiensis-populationer från Burkina Faso med insekticidkänsliga populationer, också från Etiopien.
Vi fann inga skillnader i mikrobiotans sammansättning mellan insektsmedelsresistenta ochinsekticid-känsliga populationer i Burkina Faso. Detta resultat bekräftades genom laboratoriestudier av kolonier från två länder i Burkina Faso. Däremot observerades tydliga skillnader i mikrobiotasammansättningen hos Anopheles arabiensis-myggor från Etiopien mellan de som dog och de som överlevde insektsmedelsexponering. För att ytterligare undersöka resistensen hos denna Anopheles arabiensis-population utförde vi RNA-sekvensering och fann differentiellt uttryck av avgiftningsgener associerade med insektsmedelsresistens, samt förändringar i respiratoriska, metaboliska och synaptiska jonkanaler.
Våra resultat tyder på att mikrobiotan i vissa fall kan bidra till utvecklingen av insektsmedelsresistens, utöver transkriptomförändringar.
Även om resistens ofta beskrivs som en genetisk komponent i Anopheles-vektorn, har nya studier visat att mikrobiomet förändras som svar på exponering för insekticider, vilket tyder på en roll för dessa organismer i resistens. Studier av Anopheles gambiae-myggvektorer i Syd- och Centralamerika har faktiskt visat signifikanta förändringar i det epidermala mikrobiomet efter exponering för pyretroider, såväl som förändringar i det övergripande mikrobiomet efter exponering för organofosfater. I Afrika har pyretroidresistens associerats med förändringar i mikrobiotans sammansättning i Kamerun, Kenya och Elfenbenskusten, medan laboratorieanpassade Anopheles gambiae har visat förändringar i deras mikrobiota efter selektion för pyretroidresistens. Dessutom visade experimentell behandling med antibiotika och tillsats av kända bakterier i laboratoriekoloniserade Anopheles arabiensis-myggor ökad tolerans mot pyretroider. Tillsammans tyder dessa data på att insekticidresistens kan vara kopplad till myggmikrobiomet och att denna aspekt av insekticidresistens skulle kunna utnyttjas för kontroll av sjukdomsvektorer.
I denna studie använde vi 16S-sekvensering för att avgöra om mikrobiotan hos laboratoriekoloniserade och fältinsamlade myggor i Väst- och Östafrika skilde sig mellan de som överlevde och de som dog efter exponering för pyretroiden deltametrin. I samband med insekticidresistens kan en jämförelse av mikrobiota från olika regioner i Afrika med olika arter och resistensnivåer bidra till att förstå regionala influenser på mikrobiella samhällen. Laboratoriekolonier kom från Burkina Faso och odlades upp i två olika europeiska laboratorier (An. coluzzii i Tyskland och An. arabiensis i Storbritannien), myggor från Burkina Faso representerade alla tre arter i An. gambiae-artkomplexet, och myggor från Etiopien representerade An. arabiensis. Här visar vi att Anopheles arabiensis från Etiopien hade distinkta mikrobiotasignaturer i levande och döda myggor, medan Anopheles arabiensis från Burkina Faso och två laboratorier inte hade det. Syftet med denna studie är att ytterligare undersöka insekticidresistens. Vi utförde RNA-sekvensering på Anopheles arabiensis-populationerna och fann att gener associerade med insektsmedelsresistens var uppreglerade, medan respirationsrelaterade gener generellt sett var förändrade. Integration av dessa data med en andra population från Etiopien identifierade viktiga avgiftningsgener i regionen. Ytterligare jämförelse med Anopheles arabiensis från Burkina Faso avslöjade signifikanta skillnader i transkriptomprofiler, men identifierade fortfarande fyra viktiga avgiftningsgener som var överuttryckta i hela Afrika.
Levande och döda myggor av varje art från varje region sekvenserades sedan med hjälp av 16S-sekvensering och relativa förekomster beräknades. Inga skillnader i alfa-diversitet observerades, vilket indikerar inga skillnader i rikedomen hos operativa taxonomiska enheter (OTU). Dock varierade beta-diversiteten signifikant mellan länder, och interaktionstermer för land och levande/döda status (PANOVA = 0,001 respektive 0,008) indikerade att det fanns mångfald mellan dessa faktorer. Inga skillnader i beta-varians observerades mellan länder, vilket indikerar liknande variationer mellan grupper. Bray-Curtis multivariata skalningsdiagram (Figur 2A) visade att proverna till stor del var segregerade efter plats, men det fanns några anmärkningsvärda undantag. Flera prover från An. arabiensis-samhället och ett prov från An. coluzzii-samhället överlappade med ett prov från Burkina Faso, medan ett prov från An. arabiensis-proverna från Burkina Faso överlappade med An. arabiensis-samhällets urval, vilket kan indikera att den ursprungliga mikrobiotan bibehölls slumpmässigt över många generationer och över flera regioner. Proverna från Burkina Faso var inte tydligt segregerade efter art; denna brist på segregering var förväntad eftersom individerna sedan samlades ihop trots att de kom från olika larvmiljöer. Studier har faktiskt visat att det att dela en ekologisk nisch under det akvatiska stadiet kan påverka mikrobiotans sammansättning avsevärt [50]. Intressant nog, medan myggproverna och samhällena från Burkina Faso inte visade några skillnader i myggöverlevnad eller dödlighet efter exponering för insekticider, var de etiopiska proverna tydligt segregerade, vilket tyder på att mikrobiotans sammansättning i dessa Anopheles-prover är associerad med insekticidresistens. Proverna samlades in från samma plats, vilket kan förklara det starkare sambandet.
Resistens mot pyretroidinsekticider är en komplex fenotyp, och även om förändringar i metabolism och måltavlor är relativt väl studerade, har förändringar i mikrobiotan bara börjat utforskas. I denna studie visar vi att förändringar i mikrobiotan kan vara viktigare i vissa populationer; vi karakteriserar vidare insektsmedelsresistens hos Anopheles arabiensis från Bahir Dar och visar förändringar i kända resistensassocierade transkript, samt signifikanta förändringar i respirationsrelaterade gener som också var tydliga i en tidigare RNA-sekvenseringsstudie av Anopheles arabiensis-populationer från Etiopien. Tillsammans tyder dessa resultat på att insektsmedelsresistens hos dessa myggor kan bero på en kombination av genetiska och icke-genetiska faktorer, troligen för att symbiotiska relationer med inhemska bakterier kan komplettera insektsmedelsnedbrytning i populationer med lägre resistensnivåer.
Nyligen genomförda studier har kopplat ökad respiration till insektsmedelsresistens, vilket överensstämmer med de berikade ontologitermerna i Bahir Dar RNAseq och de integrerade etiopiska data som erhållits här; vilket återigen tyder på att resistens resulterar i ökad respiration, antingen som en orsak till eller en konsekvens av denna fenotyp. Om dessa förändringar leder till skillnader i potentialen för reaktiva syre- och kväverearter, som tidigare föreslagits, kan detta påverka vektorkompetens och mikrobiell kolonisering genom differentiell bakteriell resistens mot ROS-fångning av långsiktiga kommensala bakterier.
De data som presenteras här visar att mikrobiotan kan påverka insektsmedelsresistens i vissa miljöer. Vi visade också att An. arabiensis-myggor i Etiopien uppvisar liknande transkriptomförändringar som ger insektsmedelsresistens; antalet gener som motsvarar de i Burkina Faso är dock litet. Flera reservationer kvarstår angående slutsatserna som dragits här och i andra studier. För det första måste ett orsakssamband mellan pyretroidöverlevnad och mikrobiotan påvisas med hjälp av metabolomiska studier eller mikrobiotatransplantation. Dessutom behöver validering av nyckelkandidater i flera populationer från olika regioner påvisas. Slutligen kommer kombinationen av transkriptomdata med mikrobiotadata genom riktade studier efter transplantation att ge mer detaljerad information om huruvida mikrobiotan direkt påverkar myggans transkriptom med avseende på pyretroidresistens. Sammantaget tyder dock våra data på att resistens är både lokal och transnationell, vilket belyser behovet av att testa nya insektsmedelsprodukter i flera regioner.
Publiceringstid: 24 mars 2025