La malaria rimane una delle principali cause di morte e malattia in Africa, con il maggior impatto sui bambini di età inferiore ai 5 anni. Il mezzo più efficace per prevenire la malattia è rappresentato dagli insetticidi che agiscono sui vettori, in particolare sulle zanzare Anopheles adulte. A causa dell'ampio utilizzo di questi interventi, la resistenza alle classi di insetticidi più comunemente impiegate è ormai diffusa in tutta l'Africa. Comprendere i meccanismi alla base di questo fenotipo è fondamentale sia per monitorare la diffusione della resistenza sia per sviluppare nuovi strumenti per contrastarla.
In questo studio, abbiamo confrontato la composizione del microbioma di popolazioni di Anopheles gambiae, Anopheles cruzi e Anopheles arabiensis resistenti agli insetticidi, provenienti dal Burkina Faso, con quella di popolazioni sensibili agli insetticidi, anch'esse provenienti dall'Etiopia.
Non abbiamo riscontrato differenze nella composizione del microbiota tra insetticidi resistenti einsetticida- popolazioni suscettibili in Burkina Faso. Questo risultato è stato confermato da studi di laboratorio su colonie provenienti da due paesi del Burkina Faso. Al contrario, nelle zanzare Anopheles arabiensis provenienti dall'Etiopia, sono state osservate chiare differenze nella composizione del microbiota tra quelle morte e quelle sopravvissute all'esposizione agli insetticidi. Per approfondire la resistenza di questa popolazione di Anopheles arabiensis, abbiamo eseguito il sequenziamento dell'RNA e abbiamo trovato un'espressione differenziale di geni di detossificazione associati alla resistenza agli insetticidi, nonché cambiamenti nei canali ionici respiratori, metabolici e sinaptici.
I nostri risultati suggeriscono che, in alcuni casi, il microbiota può contribuire allo sviluppo della resistenza agli insetticidi, oltre alle modifiche del trascrittoma.
Sebbene la resistenza sia spesso descritta come una componente genetica del vettore Anopheles, studi recenti hanno dimostrato che il microbioma si modifica in risposta all'esposizione agli insetticidi, suggerendo un ruolo per questi organismi nella resistenza. Infatti, studi su zanzare vettrici Anopheles gambiae in Sud e Centro America hanno mostrato cambiamenti significativi nel microbioma epidermico in seguito all'esposizione ai piretroidi, così come cambiamenti nel microbioma complessivo in seguito all'esposizione agli organofosfati. In Africa, la resistenza ai piretroidi è stata associata a cambiamenti nella composizione del microbiota in Camerun, Kenya e Costa d'Avorio, mentre Anopheles gambiae adattate in laboratorio hanno mostrato cambiamenti nel loro microbiota in seguito alla selezione per la resistenza ai piretroidi. Inoltre, il trattamento sperimentale con antibiotici e l'aggiunta di batteri noti in zanzare Anopheles arabiensis colonizzate in laboratorio hanno mostrato una maggiore tolleranza ai piretroidi. Nel complesso, questi dati suggeriscono che la resistenza agli insetticidi potrebbe essere collegata al microbioma delle zanzare e che questo aspetto della resistenza agli insetticidi potrebbe essere sfruttato per il controllo dei vettori di malattie.
In questo studio, abbiamo utilizzato il sequenziamento del gene 16S per determinare se il microbiota di zanzare allevate in laboratorio e raccolte sul campo in Africa occidentale e orientale differisse tra quelle sopravvissute e quelle morte dopo l'esposizione al piretroide deltametrina. Nel contesto della resistenza agli insetticidi, il confronto del microbiota di diverse regioni africane con specie e livelli di resistenza differenti può aiutare a comprendere le influenze regionali sulle comunità microbiche. Le colonie di laboratorio provenivano dal Burkina Faso e sono state allevate in due diversi laboratori europei (An. coluzzii in Germania e An. arabiensis nel Regno Unito), le zanzare del Burkina Faso rappresentavano tutte e tre le specie del complesso di specie An. gambiae, e le zanzare dell'Etiopia rappresentavano An. arabiensis. Qui, dimostriamo che Anopheles arabiensis proveniente dall'Etiopia presentava profili microbici distinti nelle zanzare vive e morte, mentre Anopheles arabiensis proveniente dal Burkina Faso e da due laboratori non presentava tali differenze. L'obiettivo di questo studio è approfondire la resistenza agli insetticidi. Abbiamo eseguito il sequenziamento dell'RNA sulle popolazioni di Anopheles arabiensis e abbiamo scoperto che i geni associati alla resistenza agli insetticidi erano sovraregolati, mentre i geni correlati alla respirazione risultavano generalmente alterati. L'integrazione di questi dati con una seconda popolazione proveniente dall'Etiopia ha permesso di identificare i geni chiave per la detossificazione nella regione. Un ulteriore confronto con Anopheles arabiensis del Burkina Faso ha rivelato differenze significative nei profili del trascrittoma, ma ha comunque identificato quattro geni chiave per la detossificazione che risultavano sovraespressi in tutta l'Africa.
Zanzare vive e morte di ciascuna specie provenienti da ciascuna regione sono state quindi sequenziate utilizzando il sequenziamento 16S e sono state calcolate le abbondanze relative. Non sono state osservate differenze nella diversità alfa, indicando l'assenza di differenze nella ricchezza di unità tassonomiche operative (OTU); tuttavia, la diversità beta variava significativamente tra i paesi e i termini di interazione per paese e stato vivo/morto (PANOVA = 0,001 e 0,008, rispettivamente) indicavano che esisteva diversità tra questi fattori. Non sono state osservate differenze nella varianza beta tra i paesi, indicando varianze simili tra i gruppi. Il grafico di scalatura multivariata di Bray-Curtis (Figura 2A) ha mostrato che i campioni erano ampiamente segregati per posizione, ma c'erano alcune notevoli eccezioni. Diversi campioni della comunità di An. arabiensis e un campione della comunità di An. coluzzii si sovrapponevano a un campione del Burkina Faso, mentre un campione dei campioni di An. arabiensis del Burkina Faso si sovrapponeva a quello di An. campione della comunità arabiensis, il che potrebbe indicare che il microbiota originale è stato mantenuto in modo casuale per molte generazioni e in diverse regioni. I campioni del Burkina Faso non erano chiaramente separati per specie; questa mancanza di separazione era prevedibile poiché gli individui sono stati successivamente raggruppati nonostante provenissero da ambienti larvali diversi. Infatti, studi hanno dimostrato che la condivisione di una nicchia ecologica durante la fase acquatica può influenzare significativamente la composizione del microbiota [50]. È interessante notare che, mentre i campioni e le comunità di zanzare del Burkina Faso non hanno mostrato differenze nella sopravvivenza o mortalità delle zanzare dopo l'esposizione agli insetticidi, i campioni etiopi erano chiaramente separati, suggerendo che la composizione del microbiota in questi campioni di Anopheles è associata alla resistenza agli insetticidi. I campioni sono stati raccolti dalla stessa località, il che potrebbe spiegare la più forte associazione.
La resistenza agli insetticidi piretroidi è un fenotipo complesso e, mentre le modifiche al metabolismo e ai bersagli sono relativamente ben studiate, le modifiche al microbiota sono solo all'inizio dell'esplorazione. In questo studio, dimostriamo che le modifiche al microbiota possono essere più importanti in determinate popolazioni; caratterizziamo ulteriormente la resistenza agli insetticidi in Anopheles arabiensis provenienti da Bahir Dar e mostriamo modifiche nei trascritti noti associati alla resistenza, nonché modifiche significative nei geni correlati alla respirazione, che erano già evidenti in un precedente studio RNA-seq su popolazioni di Anopheles arabiensis provenienti dall'Etiopia. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che la resistenza agli insetticidi in queste zanzare potrebbe dipendere da una combinazione di fattori genetici e non genetici, probabilmente perché le relazioni simbiotiche con batteri autoctoni possono integrare la degradazione degli insetticidi nelle popolazioni con livelli di resistenza inferiori.
Studi recenti hanno collegato l'aumento della respirazione alla resistenza agli insetticidi, in linea con i termini ontologici arricchiti nell'RNAseq di Bahir Dar e con i dati etiopi integrati ottenuti in questo studio; ciò suggerisce ancora una volta che la resistenza si traduce in un aumento della respirazione, sia come causa che come conseguenza di questo fenotipo. Se questi cambiamenti portano a differenze nel potenziale di specie reattive dell'ossigeno e dell'azoto, come precedentemente ipotizzato, ciò potrebbe avere un impatto sulla competenza vettoriale e sulla colonizzazione microbica attraverso una diversa resistenza batterica alla rimozione delle ROS da parte dei batteri commensali a lungo termine.
I dati qui presentati dimostrano che il microbiota può influenzare la resistenza agli insetticidi in determinati ambienti. Abbiamo anche dimostrato che le zanzare Anopheles arabiensis in Etiopia presentano alterazioni del trascrittoma simili che conferiscono resistenza agli insetticidi; tuttavia, il numero di geni corrispondenti a quelli riscontrati in Burkina Faso è limitato. Rimangono tuttavia alcune riserve riguardo alle conclusioni raggiunte in questo e in altri studi. In primo luogo, è necessario dimostrare una relazione causale tra la sopravvivenza ai piretroidi e il microbiota mediante studi metabolomici o trapianto di microbiota. Inoltre, è necessario validare i geni candidati chiave in diverse popolazioni provenienti da regioni differenti. Infine, la combinazione di dati sul trascrittoma con dati sul microbiota attraverso studi mirati post-trapianto fornirà informazioni più dettagliate sull'influenza diretta del microbiota sul trascrittoma delle zanzare in relazione alla resistenza ai piretroidi. Nel complesso, tuttavia, i nostri dati suggeriscono che la resistenza è sia locale che transnazionale, evidenziando la necessità di testare nuovi insetticidi in diverse regioni.
Data di pubblicazione: 24 marzo 2025