ยุงก้นปล่องที่ต้านทานยาฆ่าแมลงจากเอธิโอเปีย แต่ไม่ใช่บูร์กินาฟาโซ แสดงการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของจุลินทรีย์หลังจากได้รับยาฆ่าแมลง | ปรสิตและพาหะ

โรคมาลาเรียยังคงเป็นสาเหตุหลักของการเสียชีวิตและการเจ็บป่วยในแอฟริกา โดยพบมากที่สุดในเด็กอายุต่ำกว่า 5 ปี วิธีป้องกันโรคที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือสารควบคุมแมลงพาหะที่มุ่งเป้าไปที่ยุงก้นปล่อง (Anopheles) ตัวเต็มวัย ผลจากการใช้มาตรการเหล่านี้อย่างแพร่หลาย ทำให้ปัจจุบันความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงประเภทที่ใช้กันทั่วไปแพร่หลายไปทั่วแอฟริกา การทำความเข้าใจกลไกพื้นฐานที่นำไปสู่ฟีโนไทป์นี้เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ทั้งเพื่อติดตามการแพร่กระจายของความต้านทานและเพื่อพัฒนาวิธีการใหม่ๆ เพื่อเอาชนะมัน
ในการศึกษาครั้งนี้ เราเปรียบเทียบองค์ประกอบของไมโครไบโอมของประชากร Anopheles gambiae, Anopheles cruzi และ Anopheles arabiensis ที่ทนต่อยาฆ่าแมลงจากประเทศบูร์กินาฟาโซ กับประชากรที่ไวต่อยาฆ่าแมลงจากประเทศเอธิโอเปียเช่นกัน
เราไม่พบความแตกต่างในองค์ประกอบของจุลินทรีย์ระหว่างที่ทนต่อยาฆ่าแมลงและยาฆ่าแมลงประชากรที่อ่อนไหวต่อยาฆ่าแมลงในบูร์กินาฟาโซ ผลการศึกษานี้ได้รับการยืนยันจากการศึกษาในห้องปฏิบัติการของกลุ่มประชากรจากสองประเทศในบูร์กินาฟาโซ ในทางตรงกันข้าม ในยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis จากเอธิโอเปีย พบความแตกต่างอย่างชัดเจนในองค์ประกอบของจุลินทรีย์ระหว่างยุงที่ตายและยุงที่รอดชีวิตจากการสัมผัสยาฆ่าแมลง เพื่อตรวจสอบความต้านทานของประชากรยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis เพิ่มเติม เราจึงได้ทำการหาลำดับเบสของ RNA และพบการแสดงออกของยีนกำจัดสารพิษที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานยาฆ่าแมลงที่แตกต่างกัน รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของช่องไอออนในระบบทางเดินหายใจ ระบบเผาผลาญ และไซแนปส์
ผลลัพธ์ของเราชี้ให้เห็นว่าในบางกรณี จุลินทรีย์อาจมีส่วนสนับสนุนให้เกิดการดื้อยาฆ่าแมลง นอกเหนือจากการเปลี่ยนแปลงของทรานสคริปโตม
แม้ว่าความต้านทานมักถูกอธิบายว่าเป็นองค์ประกอบทางพันธุกรรมของยุงก้นปล่อง (Anopheles vector) แต่การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์เปลี่ยนแปลงไปเมื่อสัมผัสกับยาฆ่าแมลง ซึ่งชี้ให้เห็นถึงบทบาทของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ในการต้านทานยาฆ่าแมลง อันที่จริง การศึกษายุงก้นปล่อง Anopheles gambiae ในอเมริกาใต้และอเมริกากลางแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในจุลินทรีย์บนชั้นหนังกำพร้าหลังจากได้รับสารไพรีทรอยด์ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของจุลินทรีย์โดยรวมหลังจากได้รับสารออร์กาโนฟอสเฟต ในแอฟริกา ความต้านทานต่อไพรีทรอยด์มีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของจุลินทรีย์ในแคเมอรูน เคนยา และโกตดิวัวร์ ขณะที่ยุงก้นปล่อง Anopheles gambiae ที่ดัดแปลงในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของจุลินทรีย์หลังจากการคัดเลือกให้ต้านทานไพรีทรอยด์ นอกจากนี้ การรักษาด้วยยาปฏิชีวนะในการทดลองและการเติมแบคทีเรียที่รู้จักในยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis ที่อยู่ในห้องปฏิบัติการยังแสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อไพรีทรอยด์ที่เพิ่มขึ้น ข้อมูลเหล่านี้เมื่อนำมารวมกันชี้ให้เห็นว่าความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงอาจเชื่อมโยงกับไมโครไบโอมของยุง และด้านความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงนี้สามารถใช้ประโยชน์ในการควบคุมพาหะนำโรคได้
ในการศึกษานี้ เราใช้การเรียงลำดับยีน 16S เพื่อตรวจสอบว่าจุลินทรีย์ในยุงที่เพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการและเก็บจากภาคสนามในแอฟริกาตะวันตกและตะวันออกมีความแตกต่างกันหรือไม่ ระหว่างยุงที่รอดชีวิตและยุงที่ตายหลังจากสัมผัสกับสารไพรีทรอยด์เดลตามีทริน ในบริบทของการดื้อยาฆ่าแมลง การเปรียบเทียบจุลินทรีย์จากภูมิภาคต่างๆ ของแอฟริกาที่มีชนิดพันธุ์และระดับการดื้อยาที่แตกต่างกัน จะช่วยให้เข้าใจอิทธิพลของแต่ละภูมิภาคที่มีต่อชุมชนจุลินทรีย์ ยุงในห้องปฏิบัติการมาจากบูร์กินาฟาโซและเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการสองแห่งในยุโรป (An. coluzzii ในเยอรมนีและ An. arabiensis ในสหราชอาณาจักร) ยุงจากบูร์กินาฟาโซเป็นตัวแทนของยุงทั้งสามชนิดในกลุ่ม An. gambiae และยุงจากเอธิโอเปียเป็นตัวแทนของยุง An. arabiensis ในที่นี้ เราแสดงให้เห็นว่ายุง Anopheles arabiensis จากเอธิโอเปียมีจุลินทรีย์เฉพาะตัวที่แตกต่างกันในยุงที่มีชีวิตและยุงที่ตายแล้ว ในขณะที่ยุง Anopheles arabiensis จากบูร์กินาฟาโซและห้องปฏิบัติการอีกสองแห่งไม่มีจุลินทรีย์เฉพาะตัว วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้คือการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการดื้อยาฆ่าแมลง เราได้ทำการวิเคราะห์ลำดับเบสของ RNA ในประชากรยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis และพบว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการดื้อยาฆ่าแมลงมีการแสดงออกเพิ่มขึ้น ในขณะที่ยีนที่เกี่ยวข้องกับการหายใจมีการเปลี่ยนแปลงโดยทั่วไป การนำข้อมูลเหล่านี้มารวมกับประชากรกลุ่มที่สองจากเอธิโอเปียสามารถระบุยีนสำคัญในการล้างพิษในภูมิภาคนี้ได้ การเปรียบเทียบเพิ่มเติมกับยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis จากบูร์กินาฟาโซพบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในโปรไฟล์ทรานสคริปโทม แต่ยังคงสามารถระบุยีนสำคัญในการล้างพิษสี่ยีนที่มีการแสดงออกมากเกินไปทั่วแอฟริกา
จากนั้นจึงได้จัดลำดับเบสของยุงทั้งที่มีชีวิตและตายของแต่ละชนิดพันธุ์จากแต่ละภูมิภาคโดยใช้ลำดับเบส 16S และคำนวณหาค่าความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ ไม่พบความแตกต่างของความหลากหลายทางอัลฟา ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีความแตกต่างในความเข้มข้นของหน่วยอนุกรมวิธานปฏิบัติการ (OTU) อย่างไรก็ตาม ความหลากหลายทางเบตามีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างประเทศ และค่าความสัมพันธ์ระหว่างประเทศและสถานะมีชีวิต/ตาย (PANOVA = 0.001 และ 0.008 ตามลำดับ) บ่งชี้ว่ามีความหลากหลายระหว่างปัจจัยเหล่านี้ ไม่พบความแตกต่างของความแปรปรวนทางเบตาระหว่างประเทศ ซึ่งบ่งชี้ว่ามีความแปรปรวนที่คล้ายคลึงกันระหว่างกลุ่ม กราฟการปรับมาตราส่วนแบบหลายตัวแปรของ Bray-Curtis (รูปที่ 2A) แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างส่วนใหญ่ถูกแยกตามสถานที่ แต่ก็มีข้อยกเว้นที่สำคัญบางประการ ตัวอย่างหลายตัวอย่างจากชุมชน An. arabiensis และหนึ่งตัวอย่างจากชุมชน An. coluzzii ซ้อนทับกับตัวอย่างจากบูร์กินาฟาโซ ในขณะที่ตัวอย่างหนึ่งตัวอย่างจากชุมชน An. arabiensis จากบูร์กินาฟาโซซ้อนทับกับ An. ตัวอย่างชุมชน Arabiensis ซึ่งอาจบ่งชี้ว่าจุลินทรีย์ดั้งเดิมถูกเก็บรักษาไว้แบบสุ่มตลอดหลายชั่วอายุคนและในหลายภูมิภาค ตัวอย่างจากบูร์กินาฟาโซไม่ได้ถูกแยกตามชนิดอย่างชัดเจน การขาดการแยกนี้เป็นสิ่งที่คาดการณ์ได้ เนื่องจากจุลินทรีย์แต่ละตัวถูกนำมารวมกันในภายหลัง แม้ว่าจะมีต้นกำเนิดมาจากสภาพแวดล้อมของตัวอ่อนที่แตกต่างกันก็ตาม อันที่จริง การศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าการใช้พื้นที่นิเวศร่วมกันในระยะที่อยู่ในน้ำสามารถมีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อองค์ประกอบของจุลินทรีย์ [50] ที่น่าสนใจคือ แม้ว่าตัวอย่างยุงและชุมชนในบูร์กินาฟาโซจะไม่มีความแตกต่างกันในอัตราการรอดชีวิตหรืออัตราการตายของยุงหลังจากได้รับยาฆ่าแมลง แต่ตัวอย่างจากเอธิโอเปียกลับถูกแยกอย่างชัดเจน ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบของจุลินทรีย์ในตัวอย่างยุงก้นปล่องเหล่านี้สัมพันธ์กับความต้านทานต่อยาฆ่าแมลง ตัวอย่างเหล่านี้ถูกเก็บจากสถานที่เดียวกัน ซึ่งอาจอธิบายความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งกว่าได้
ความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงกลุ่มไพรีทรอยด์เป็นลักษณะทางฟีโนไทป์ที่ซับซ้อน และแม้ว่าจะมีการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของเมแทบอลิซึมและเป้าหมายค่อนข้างดี แต่การเปลี่ยนแปลงในจุลินทรีย์เพิ่งเริ่มต้นการสำรวจ ในการศึกษานี้ เราแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงในจุลินทรีย์อาจมีความสำคัญมากกว่าในบางกลุ่มประชากร เรายังศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงในยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis จากบาฮีร์ดาร์ และแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงในทรานสคริปต์ที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานที่ทราบแล้ว รวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในยีนที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ ซึ่งปรากฏชัดเจนในการศึกษา RNA-seq ก่อนหน้านี้ของประชากรยุงก้นปล่อง Anopheles arabiensis จากเอธิโอเปีย ผลการศึกษาเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงในยุงเหล่านี้อาจขึ้นอยู่กับปัจจัยทางพันธุกรรมและปัจจัยที่ไม่ใช่ทางพันธุกรรมร่วมกัน ซึ่งอาจเป็นเพราะความสัมพันธ์แบบพึ่งพาอาศัยกันกับแบคทีเรียพื้นเมืองอาจช่วยส่งเสริมการย่อยสลายยาฆ่าแมลงในประชากรที่มีระดับความต้านทานต่ำ
การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้เชื่อมโยงการหายใจที่เพิ่มขึ้นกับการดื้อยาฆ่าแมลง ซึ่งสอดคล้องกับคำศัพท์ออนโทโลยีที่เข้มข้นขึ้นใน Bahir Dar RNAseq และข้อมูลบูรณาการของเอธิโอเปียที่ได้รับในที่นี้ ซึ่งชี้ให้เห็นอีกครั้งว่าการดื้อยาส่งผลให้การหายใจเพิ่มขึ้น ไม่ว่าจะเป็นสาเหตุหรือผลที่ตามมาของฟีโนไทป์นี้ หากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้นำไปสู่ความแตกต่างในศักยภาพของสปีชีส์ออกซิเจนและไนโตรเจนที่ทำปฏิกิริยา ดังที่ได้เสนอไว้ก่อนหน้านี้ สิ่งนี้อาจส่งผลกระทบต่อความสามารถของพาหะและการตั้งรกรากของจุลินทรีย์ผ่านการดื้อยาที่แตกต่างกันต่อการกำจัด ROS โดยแบคทีเรียคอมเมนซัลในระยะยาว
ข้อมูลที่นำเสนอในที่นี้ให้หลักฐานว่าจุลินทรีย์สามารถมีอิทธิพลต่อการดื้อยาฆ่าแมลงในสภาพแวดล้อมบางอย่างได้ เรายังแสดงให้เห็นว่ายุง An. arabiensis ในเอธิโอเปียมีการเปลี่ยนแปลงของทรานสคริปโตมที่คล้ายคลึงกันซึ่งทำให้เกิดการดื้อยาฆ่าแมลง อย่างไรก็ตาม จำนวนยีนที่สอดคล้องกับยีนในบูร์กินาฟาโซยังมีน้อย ยังคงมีข้อควรระวังหลายประการเกี่ยวกับข้อสรุปที่ได้จากการศึกษานี้และในการศึกษาอื่นๆ ประการแรก ความสัมพันธ์เชิงสาเหตุระหว่างการอยู่รอดของไพรีทรอยด์และจุลินทรีย์จำเป็นต้องได้รับการพิสูจน์โดยใช้การศึกษาเมตาโบโลมิกส์หรือการปลูกถ่ายจุลินทรีย์ นอกจากนี้ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของตัวเลือกหลักในประชากรหลายกลุ่มจากภูมิภาคต่างๆ สุดท้าย การรวมข้อมูลทรานสคริปโตมเข้ากับข้อมูลจุลินทรีย์ผ่านการศึกษาหลังการปลูกถ่ายแบบกำหนดเป้าหมาย จะให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับว่าจุลินทรีย์มีอิทธิพลโดยตรงต่อทรานสคริปโตมของยุงในแง่ของการดื้อยาฆ่าแมลงหรือไม่ อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาโดยรวมแล้ว ข้อมูลของเราชี้ให้เห็นว่าการดื้อยาเป็นทั้งในระดับท้องถิ่นและระดับนานาชาติ ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการทดสอบผลิตภัณฑ์ยาฆ่าแมลงใหม่ๆ ในหลายภูมิภาค