A bél mikrobiota összetétele és funkcionális szerepe a szúnyogokban

Michael R. Strand

Entomológiai Tanszék, Georgia Egyetem, Athén, GA, 30602, Amerikai Egyesült Államok

Absztrakt

Becslések szerint 3500 szúnyogfaj (Culicidae család) létezik világszerte, amelyek közül számos ismert kórokozó-vektor, amely emberben és más gerincesekben betegséget okoz. A szúnyogok emésztőrendszerük mikrobaközösségeit is befogadják, amelyek bélmikrobiotát alkotnak. A legújabb tanulmányok fontos betekintést nyújtanak arra, hogy a szúnyogok hogyan szerzik a bél mikrobiotáját és a jelenlévő mikrobák közösségét. Az eredmények azt is jelzik, hogy a bél mikrobiota a szúnyogbiológia számos aspektusát befolyásolja. Ezek a hatások összességében befolyásolják a szúnyogok fittségét, és potenciális következményekkel járhatnak a betegségek gyakoriságára.

Bevezetés

Minden szúnyog fiatalkori szakaszában vízi, felnőttként pedig szárazföldi [1]. A lárvák elsősorban szerves detritusokat, egysejtű organizmusokat és kis gerincteleneket fogyasztanak, míg mindkét nemű felnőttek általában extrraflorális nedűkkel táplálkoznak [2,3]. A felnőtt nőstények általában vérrel táplálkoznak a gerinceseken is, ami tápanyagot biztosít a tojástermeléshez, de kórokozók átvitelét eredményezheti a gazdaszervezetek között [1]. Az 1900-as évek eleji tanulmányok megállapították, hogy a lárva és a felnőttkori szúnyogok az emésztőrendszerében extracelluláris mikrobák közösségeit hordozzák, amelyek bélmikrobiotát alkotnak [4–6]. Ezeket a mikrobaközösségeket és szerepüket a szúnyogbiológiában azonban csak az elmúlt 10 évben vizsgálták szélesebb körben. A legutóbbi áttekintésekben összefoglalt eredmények azt mutatják, hogy a kifejlett szúnyogok bélmikrobiota pozitívan és negatívan is befolyásolhatja a vektorkompetenciát, ami a nőstények képességére utal gerinces kórokozók megszerzésére, fenntartására és továbbítására [7–10]. Ez a rövid összefoglaló arra összpontosít, hogy a szúnyogok hogyan szerzik a bél mikrobiotáját, a közösség összetételét, valamint az ismert hatásokat a lárvák fejlődésére és a felnőttek fiziológiájára.

Bélmikrobiota megszerzése szúnyoglárvákkal

A kultúrán alapuló vizsgálatok eredetileg arra utaltak, hogy a szúnyoglárvák a metamorfózis során egy mekóniumban kiűzik bélmikrobiájukat, és hogy a felnőttek a baba stádiumából bélmikrobákkal alig vagy egyáltalán nem lépnek ki [29]. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a felnőttek visszanyerik a bél mikrobiotáját úgy, hogy felszívják a vizet a lárva élőhelyéből, és/vagy olyan erőforrásokkal táplálkoznak, mint az extrraflorális nedűk. Azonban a kontrollált kísérletek a bélközösség összetételének elemzésével párosulva erős bizonyítékot szolgáltatnak arra vonatkozóan, hogy az Aedes és Anopheles lárvák transzstadiálisan továbbítják a bél mikrobiotájának egy részét felnőtteknek [13, 30, 31]. Ezt követően azonban a felnőtt bél mikrobiota mikrobatartalmú víz, nektár vagy más táplálékforrások fogyasztásával megváltozhat [32–35]. A gerinces vér általában kevés mikrobát vagy egyáltalán nem tartalmaz mikrobákat, de számos tanulmány kimutatta, hogy a vérliszt fogyasztása tartósan vagy átmenetileg megváltoztatja a bél mikrobiota összetételét a redox állapot vagy az anyagcsere megváltozása révén [35–41]. A különböző vektor által terjedő kórokozók által okozott fertőzés ismeretlen mechanizmusok révén is befolyásolhatja a bél mikrobiota összetételét [26, 41–44].

A bél mikrobiota összetétele

A ritka szekvenciaolvasások kivételével a legtöbb tanulmány azt mutatja, hogy a szúnyogbélben a baktériumok sokfélesége alacsony (≤200 faj) a gerincesekhez képest [12]. A szúnyogok sokféleségére vonatkozó becslések azonban összehasonlíthatók más holometabolikus rovarokkal, amelyek a bél mikrobiotáját a környezetből nyerik [11, 49]. A baktériumfajok változatosságában különbségeket jelentettek a Culex quinquefasciatus lárvaszakaszai között [60]. Az Aedes aegypti tanulmányai továbbá azt mutatják, hogy a bélben jelentős mennyiségű baktérium pusztul el az egyes instarumok végén a megolvadás előtt, ami lehetőséget ad a bélközösség összetételének megváltoztatására a következő szakaszban [61]. További megjegyezhető, hogy a baktériumfajok változatossága a szúnyoglárvákban következetesen magasabb, mint a felnőtteknél [13, 15, 18, 47], és hogy a laboratóriumban tenyésztett és az azonos fajba gyűjtött szúnyogok esetében a diverzitás alacsonyabb [13, 14, 35].

A bél mikrobiota funkcionális szerepe a szúnyoglárvákban

Számos korai tanulmány arról számolt be, hogy a szúnyoglárvák magasabb mortalitást és/vagy késleltetett növekedést mutatnak a bábu stádiumáig, amikor a vízi élőhelyen a mikrobák mennyisége csökken [4, 5, 19]. Újabban a megnövekedett mortalitásról és a késleltetett növekedésről is beszámoltak, amikor a lárvákat antibiotikumokkal kezelik [66, 67], míg a lárvák bizonyos baktériumokkal vagy élesztővel történő oltása elősegíti a növekedést [68, 69]. Ezek az eredmények együttesen azt sugallják, hogy a bél mikrobiota pozitív szerepet játszik a szúnyoglárvák fejlődésében, bár az alkalmazott megközelítések nem nyújtanak betekintést az érintett mechanizmusokba. Az antibiotikum-kezelés a baktériumok több tagjának magas szintű rezisztenciája és az eukarióta közösség tagjai érzéketlensége miatt sem szünteti meg teljes mértékben a bél mikrobiotáját [47].

Alternatív megoldásként a felületi sterilizáló petékből axenikus lárvák származnak, amelyeknek nincs bélmikrobiája, amelyeket steril táplálékkal lehet táplálni és/vagy oltani ismert mikrobákkal gnotobiotikus lárvák előállítása céljából [13]. Ez a megközelítés megmutatta azt az axenikus Ae-t. Az aegypti első instarok szokásos tenyésztési étrendet fogyasztanak, mint a hagyományos (nem steril) lárvák, de nem nőnek meg, ami azt eredményezi, hogy a lárvák több nap múlva elpusztulnak, mint az első instarok [13]. Ezzel szemben az Escherichia coli és számos más baktériumfaj a bélközösség tagjaként azonosult az Ae különböző populációiban. az aegypti [13, 48] gyarmatosítja az axenikus lárvák belét és megmenti a növekedést, míg az elhalt baktériumok nem [13]. A mezei axenikus lárvák összegyűjtötték az Ae populációkat. Az aegypti, valamint számos más szúnyogfaj ugyanazt a reakciót mutatja [13, 18, 47], ami összességében azt sugallja, hogy több szúnyognak élő baktériumok szükségesek a bélükben, mint lárvák a növekedéshez és az olvadáshoz.

Annak megfontolásakor, hogy a baktériumok miként elősegíthetik a növekedést, a legújabb tanulmányok azt mutatják, hogy Vegyes baktériumközösséggel beoltott aegypti lárvák vagy vad típusú E. coli bél oxigénszintje a közepes bélben szignifikánsan alacsonyabb (hypoxia), mint az axén lárvák vagy az aerob légzés szempontjából hibás baktériumokkal rendelkező gnotobiotikus lárvák [61]. Ez azt sugallta, hogy a közepes bélben lévő baktériumok olyan bélhipoxiás reakciót váltanak ki, amely növekedési jelként funkcionálhat. Az ezt a hipotézist alátámasztó funkcionális vizsgálatok tartalmazzák azt a megállapítást, hogy a bélhipoxia aktiválja a hipoxia által kiváltott transzkripciós faktorokat (HIF) Ae-ben. aegypti lárvák, amelyek az inzulin/inzulin növekedési faktor útvonal aktiválásához vezetnek, válasszák ki a mitogénnel aktivált kinázokat és más, alapvető növekedési funkcióval rendelkező folyamatokat [61, 70] (1. ábra). A transzkriptómanalízis számos olyan gént is azonosít, amelyek az emésztésben és a tápanyagok megszerzésében működnek, mint további célpontokat, amelyeket potenciálisan a bél mikrobiota vagy a mikrobiota okozta hipoxia szabályoz [71].

A vázlatos ábra, amely bemutatja a bél mikrobiota ismert hatását a lárvák növekedésére és a tápanyagok megszerzésére. A. Amikor élő mikrobák vannak jelen a bél középső lumenében, a bél oxigénszintje 5% alá csökken, a HIF-α stabilizálódik, és ennek eredményeként a HIF jelátvitel stimulálja: 1) a bél őssejtjeinek (ISC) proliferációja és differenciálódása endokrin sejtekké (EE) és enterociták, 2) inzulin-inzulin növekedési faktor jelátvitel (IIS), 3) mitogén aktivált kináz (MAPK) jelátvitel és 4) semleges lipidek (NL) bioszintézise és transzportja a bél belsejében található enterociták (EC) által a zsírtestbe. B. Ha az élő mikrobák hiányoznak a bél középső lumenéből, a bél oxigénszintje 5% felett marad, ami a HIF-α stabilizálódásának hiányával és: 1) az ISC proliferációjának hiányával, 2) az IIS nem aktiválódásával, 3) nem a MAPK jelátvitel aktiválása és 4) semleges lipidek bioszintézise EC-ben, de a zsír testbe történő transzport hiánya.

A bél mikrobiota hatása a belek közepes működésére felnőtt szúnyogokban

Amellett, hogy befolyásolja a vektor kompetenciáját és a fitnesz mutatóit, például a méretet és a termékenységet, néhány tanulmány azt jelzi, hogy a bél mikrobiota a felnőtt szúnyogok bélműködését is befolyásolja. Ide tartoznak a felnőttkori An orális antibiotikus kezelésén alapuló bizonyítékok. gambiae, hogy a bél mikrobiota befolyásolja az immungén expresszióját a bélben [50]. Felnőtt felnőttek antibiotikum kezelése An. A coluzzi továbbá azt sugallja, hogy a bél mikrobiota szükséges a vér bolus körüli peritrofikus mátrix kialakulásához a vér táplálása után [41]. Viszont a letiltott peritrofikus mátrixképződés lehetővé teszi a baktériumok számára, hogy kapcsolatba lépjenek a belbélsejtekkel, ami szerepet játszhat az immungének megváltozott expressziójában és a bélmikrobák szisztémás fertőzésének fokozott kockázatában [41]. Más eredmények a bél mikrobiotáját érintik a vérliszt emésztésében, vagy közvetlenül a közösség néhány tagjának hemolitikus aktivitása révén, vagy közvetetten a középbél működésének befolyásolásával [76].

Következtetések

A vektor kompetenciájának befolyásolása mellett a jelenlegi eredmények azt mutatják, hogy a bél mikrobiota befolyásolja a lárvák növekedését, a felnőttek fittségét, és kiválaszt olyan egyéb tulajdonságokat, amelyek valószínűleg befolyásolják a vektor populációkat és a betegségek előfordulását. Az elmúlt tíz évben közzétett eredmények lényegesen elősegítik annak megértését, hogy a szúnyogok miként nyerik a bél mikrobiotáját és a közösség összetételét, de elfogultak a baktériumok tanulmányozása felé. A továbbiakban további információkra van szükség a szúnyogbélben lévő egysejtű eukarióták identitásáról és sokféleségéről, valamint olyan tanulmányokról, amelyek megkezdik annak vizsgálatát, hogy a mikrobák egyes hálózatai hogyan hatnak egymásra, a különböző közösségek stabilitása és a szúnyogok fittségére gyakorolt hatása. Az is nagyrészt ismeretlen, hogy a szúnyogdiéta, az élőhely és más tényezők hogyan hatnak a bél mikrobiota összetételének alakítására. Míg több közelmúltbeli tanulmány szerint a bél mikrobiota pozitívan befolyásolja a szúnyog fiziológiáját, a mögöttes mechanizmusok megértése továbbra is alapos. A probléma megoldásához további kísérleti adatokra van szükség, amelyek hivatalosan megvizsgálják, hogy a bél mikrobiota hogyan befolyásolja a növekedést és más fiziológiai folyamatokat, valamint az egyes közösség tagjainak funkcióját ezekben a folyamatokban.

Köszönetnyilvánítás

Ennek az összefoglalónak és a jelentett eredmények egy részének megírását az Országos Egészségügyi Intézet (R01AI106892) és a Nemzeti Tudományos Alapítvány (IOS 1656236) támogatásával támogatták.

Lábjegyzetek

Kiadói nyilatkozat: Ez egy szerkesztetlen kézirat PDF-fájlja, amelyet kiadásra elfogadtak. Ügyfeleink számára nyújtott szolgáltatásként a kéziratnak ezt a korai változatát biztosítjuk. A kézirat átmásolásán, szedésén és a kapott bizonyíték felülvizsgálatán átesik, mielőtt a végső hivatkozható formában közzétennék. Felhívjuk figyelmét, hogy a gyártási folyamat során olyan hibákat fedezhetnek fel, amelyek befolyásolhatják a tartalmat, és a naplóra vonatkozó minden jogi felelősségvállalás vonatkozik.

Hivatkozások és ajánlott olvasmány

A felülvizsgálati időszakban megjelent, különös érdeklődésre számot tartó dokumentumok a következők voltak: