Malaria er fortsatt en viktig årsak til død og sykdom i Afrika, med den største byrden blant barn under 5 år. Det mest effektive middelet for å forebygge sykdommen er insektdrepende vektorkontrollmidler som er rettet mot voksne Anopheles-mygg. Som et resultat av den utbredte bruken av disse tiltakene er resistens mot de mest brukte klassene av insektmidler nå utbredt over hele Afrika. Å forstå de underliggende mekanismene som fører til denne fenotypen er viktig både for å spore spredningen av resistens og for å utvikle nye verktøy for å overvinne den.
I denne studien sammenlignet vi mikrobiomsammensetningen til insektmiddelresistente Anopheles gambiae-, Anopheles cruzi- og Anopheles arabiensis-populasjoner fra Burkina Faso med insektmiddelfølsomme populasjoner, også fra Etiopia.
Vi fant ingen forskjeller i mikrobiotasammensetningen mellom insektmiddelresistente oginsektmiddel-mottakelige populasjoner i Burkina Faso. Dette resultatet ble bekreftet av laboratoriestudier av kolonier fra to land i Burkina Faso. I motsetning til dette ble det hos Anopheles arabiensis-mygg fra Etiopia observert klare forskjeller i mikrobiotasammensetningen mellom de som døde og de som overlevde insektmiddeleksponering. For å undersøke resistensen til denne Anopheles arabiensis-populasjonen ytterligere, utførte vi RNA-sekvensering og fant ulik uttrykk av avgiftningsgener assosiert med insektmiddelresistens, samt endringer i respiratoriske, metabolske og synaptiske ionekanaler.
Resultatene våre tyder på at mikrobiotaen i noen tilfeller kan bidra til utviklingen av insektmiddelresistens, i tillegg til transkriptomendringer.
Selv om resistens ofte beskrives som en genetisk komponent i Anopheles-vektoren, har nyere studier vist at mikrobiomet endres som respons på eksponering for insektmidler, noe som tyder på en rolle for disse organismene i resistens. Studier av Anopheles gambiae-myggvektorer i Sør- og Mellom-Amerika har faktisk vist betydelige endringer i det epidermale mikrobiomet etter eksponering for pyretroider, samt endringer i det generelle mikrobiomet etter eksponering for organofosfater. I Afrika har pyretroidresistens vært assosiert med endringer i sammensetningen av mikrobiotaen i Kamerun, Kenya og Elfenbenskysten, mens laboratorietilpassede Anopheles gambiae har vist endringer i mikrobiotaen sin etter seleksjon for pyretroidresistens. Videre viste eksperimentell behandling med antibiotika og tilsetning av kjente bakterier i laboratoriekoloniserte Anopheles arabiensis-mygg økt toleranse for pyretroider. Sammen tyder disse dataene på at insektmiddelresistens kan være knyttet til myggmikrobiomet, og at dette aspektet ved insektmiddelresistens kan utnyttes til bekjempelse av sykdomsvektorer.
I denne studien brukte vi 16S-sekvensering for å bestemme om mikrobiotaen til laboratoriekoloniserte og feltinnsamlede mygg i Vest- og Øst-Afrika var forskjellig mellom de som overlevde og de som døde etter eksponering for pyretroidet deltametrin. I sammenheng med insektmiddelresistens kan det å sammenligne mikrobiota fra forskjellige regioner i Afrika med forskjellige arter og resistensnivåer bidra til å forstå regionale påvirkninger på mikrobielle samfunn. Laboratoriekolonier var fra Burkina Faso og oppdrettet i to forskjellige europeiske laboratorier (An. coluzzii i Tyskland og An. arabiensis i Storbritannia), mygg fra Burkina Faso representerte alle tre artene i An. gambiae-artskomplekset, og mygg fra Etiopia representerte An. arabiensis. Her viser vi at Anopheles arabiensis fra Etiopia hadde distinkte mikrobiotasignaturer i levende og døde mygg, mens Anopheles arabiensis fra Burkina Faso og to laboratorier ikke hadde det. Målet med denne studien er å undersøke insektmiddelresistens ytterligere. Vi utførte RNA-sekvensering på Anopheles arabiensis-populasjonene og fant at gener assosiert med insektmiddelresistens var oppregulert, mens respirasjonsrelaterte gener generelt var endret. Integrering av disse dataene med en andre populasjon fra Etiopia identifiserte viktige avgiftningsgener i regionen. Videre sammenligning med Anopheles arabiensis fra Burkina Faso avdekket signifikante forskjeller i transkriptomprofiler, men identifiserte likevel fire viktige avgiftningsgener som var overuttrykt over hele Afrika.
Levende og døde mygg av hver art fra hver region ble deretter sekvensert ved hjelp av 16S-sekvensering, og relative forekomster ble beregnet. Ingen forskjeller i alfa-mangfold ble observert, noe som indikerer ingen forskjeller i rikdommen til operasjonelle taksonomiske enheter (OTU). Beta-mangfoldet varierte imidlertid betydelig mellom land, og interaksjonsledd for land og status som levende/død (PANOVA = henholdsvis 0,001 og 0,008) indikerte at det eksisterte mangfold mellom disse faktorene. Ingen forskjeller i beta-varians ble observert mellom land, noe som indikerer lignende varianser mellom gruppene. Bray-Curtis multivariate skaleringsplottet (figur 2A) viste at prøvene i stor grad var segregert etter plassering, men det var noen bemerkelsesverdige unntak. Flere prøver fra An. arabiensis-samfunnet og ett utvalg fra An. coluzzii-samfunnet overlappet med et utvalg fra Burkina Faso, mens ett utvalg fra An. arabiensis-prøvene fra Burkina Faso overlappet med An. arabiensis-samfunnsutvalget, noe som kan indikere at den opprinnelige mikrobiotaen ble tilfeldig opprettholdt over mange generasjoner og på tvers av flere regioner. Burkina Faso-prøvene var ikke tydelig segregerte etter art; denne mangelen på segregering var forventet siden individene deretter ble samlet til tross for at de kom fra forskjellige larvemiljøer. Studier har faktisk vist at det å dele en økologisk nisje i akvatisk stadium kan påvirke sammensetningen av mikrobiota betydelig [50]. Interessant nok, mens myggprøvene og -samfunnene fra Burkina Faso ikke viste noen forskjeller i myggoverlevelse eller dødelighet etter eksponering for insektmidler, var de etiopiske prøvene tydelig segregerte, noe som tyder på at mikrobiotasammensetningen i disse Anopheles-prøvene er assosiert med insektmiddelresistens. Prøvene ble samlet inn fra samme sted, noe som kan forklare den sterkere sammenhengen.
Resistens mot pyretroidinsekticider er en kompleks fenotype, og selv om endringer i metabolisme og mål er relativt godt studert, er endringer i mikrobiotaen bare så vidt i begynt å bli utforsket. I denne studien viser vi at endringer i mikrobiotaen kan være viktigere i visse populasjoner. Vi karakteriserer videre insektmiddelresistens hos Anopheles arabiensis fra Bahir Dar og viser endringer i kjente resistensassosierte transkripter, samt signifikante endringer i respirasjonsrelaterte gener som også var tydelige i en tidligere RNA-sekvenseringsstudie av Anopheles arabiensis-populasjoner fra Etiopia. Sammen tyder disse resultatene på at insektmiddelresistens hos disse myggene kan avhenge av en kombinasjon av genetiske og ikke-genetiske faktorer, sannsynligvis fordi symbiotiske forhold med stedegne bakterier kan utfylle insektmiddelnedbrytning i populasjoner med lavere resistensnivåer.
Nyere studier har knyttet økt respirasjon til insektmiddelresistens, i samsvar med de berikede ontologitermene i Bahir Dar RNAseq og de integrerte etiopiske dataene som er innhentet her. Dette antyder igjen at resistens resulterer i økt respirasjon, enten som en årsak til eller en konsekvens av denne fenotypen. Hvis disse endringene fører til forskjeller i potensialet for reaktive oksygen- og nitrogenarter, som tidligere antydet, kan dette påvirke vektorkompetanse og mikrobiell kolonisering gjennom ulik bakteriell resistens mot ROS-fjerning av langsiktige kommensale bakterier.
Dataene som presenteres her gir bevis for at mikrobiotaen kan påvirke insektmiddelresistens i visse miljøer. Vi viste også at An. arabiensis-mygg i Etiopia viser lignende transkriptomendringer som gir insektmiddelresistens. Antallet gener som tilsvarer de i Burkina Faso er imidlertid lite. Det gjenstår flere forbehold angående konklusjonene som er nådd her og i andre studier. For det første må en årsakssammenheng mellom pyretroidoverlevelse og mikrobiotaen demonstreres ved hjelp av metabolomiske studier eller mikrobiotatransplantasjon. I tillegg må validering av nøkkelkandidater i flere populasjoner fra forskjellige regioner demonstreres. Til slutt vil det å kombinere transkriptomdata med mikrobiotadata gjennom målrettede studier etter transplantasjon gi mer detaljert informasjon om hvorvidt mikrobiotaen direkte påvirker myggtranskriptomet med hensyn til pyretroidresistens. Samlet sett tyder imidlertid dataene våre på at resistens er både lokal og transnasjonal, noe som fremhever behovet for å teste nye insektmiddelprodukter i flere regioner.
Publiseringstidspunkt: 24. mars 2025