Вольбахия на службе у медиков: зараженные бактерией комары перестают распространять лихорадку денге

Aedes aegypti — переносчик вируса лихорадки денге. Изображение с сайта axisoflogic.com

Лихорадка денге — одна из наиболее распространенных вирусных инфекций, которые переносятся комарами Aedes aegypti. Австралийские и американские биологи и медики изменили две австралийские популяции комаров, добившись их абсолютной устойчивости к инфекции, и таким образом заблокировали распространение заболевания. Они применили необычный подход, заразив комаров определенным штаммом внутриклеточной симбиотической бактерии Wolbachia. Затем комаров выпустили в природу в двух точках в штате Квинсленд, на северо-востоке Австралии. Через несколько месяцев новые, устойчивые к вирусу, популяции комаров полностью заменили старые популяции.

Wolbachia, внутриклеточный симбионт многих беспозвоночных, обладает удивительной способностью управлять размножением и развитием своих хозяев (см., к примеру: Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями, «Элементы», 05.09.2007). Например, если зараженные вольбахией самцы скрещиваются со здоровыми самками, все эмбрионы таких самок гибнут. Напротив, зараженные вольбахией самки могут без разбора спариваться как со здоровыми, так и с зараженными самцами, и в любом случае производить жизнеспособное потомство. Как правило, зараженность бактерией не влияет на приспособленность хозяина: в природе можно часто найти как зараженные, так и незараженные популяции одного вида, одинаково процветающие.

У Drosophila melanogaster известно 5 разных штаммов вольбахии. Было показано, что по крайней мере один из них, wMelPop-CLA, снижает жизнеспособность хозяина. Эту особенность попытались использовать в борьбе с распространением некоторых вирусных заболеваний, переносимых комарами Aedes aegypti. Комары этого вида переносят, в частности, лихорадку денге, достаточно неприятную и очень распространенную инфекцию. Когда комарам ввели штамм wMelPop-CLA, продолжительность их жизни снизилась почти в два раза. Такой эффект посчитали многообещающим, так как снижение продолжительности жизни хозяина может привести к снижению уровня зараженности вирусом денге. Но всё-таки это полумера, а не абсолютное решение проблемы.

Тогда биологи и медики из разных университетов Австралии (в том числе Мельбурнского и Квинслендского) и США предприняли попытку инфицировать комаров другим штаммом вольбахии — wMel. Этот штамм присутствует в D. melanogaster по всему миру и не вызывает снижения жизнеспособности хозяина. Более того, недавно было показано, что этот штамм бактерии вызывает у дрозофилы устойчивость к РНК-вирусам (см.: Teixeira et al., 2008; Hedges et al., 2008).

Имея такую ценную информацию, австралийцы решились на фундаментальный проект. Вначале они заразили штаммом wMel, взятым из эмбрионов дрозофилы, клеточную культуру комаров A. aegypti и вели культуру два года, чтобы адаптировать бактерии к внутриклеточной среде комаров. Затем в 2541 комариный эмбрион была введена вольбахия, выделенная из клеточной культуры. Эти эмбрионы дали начало трем линиям, которые на протяжении восьми поколений контролировались на предмет заражения вольбахией. Зараженность бактерией оказалась стопроцентная.

Используемый штамм, wMel заражал в основном яичники и слюнные железы комаров (рис. 1). В этом было его сходство со штаммом wMelPop-CLA. Однако, в отличие от wMelPop-CLA, штамм wMel почти полностью отсутствовал в мальпигиевых сосудах (выполняющих функцию выделения и осморегуляции) и жировом теле (см. рис. 1), а также в нервной системе. Возможно, патогенная реакция штамма wMelPop-CLA на комаров, наблюдаемая ранее, связана именно с заражением множества тканей хозяина.

Рис. 1. Распределение штамма wMel Wolbachia в тканях самки Aedes aegypti. С помощью метода флюоресцентной гибридизации in situ можно увидеть локализацию бактерий в различных тканях семидневной самки: яичниках (Ovaries), слюнных железах (Salivary glands), мальпигиевых сосудах (Malpighian tubules) и жировом теле (Fat body). Гибридизация проведена двумя специфическими 16S рРНК-пробами, помеченными родамином. Поэтому вольбахия проявляется красным цветом. ДНК прокрашена DAPI (синий цвет). Видно, что вольбахии особенно много в яичниках (вверху слева), а меньше всего в жировом теле (внизу справа). Рисунок из обсуждаемой статьи Walker et al. в Nature

Авторы решили исследовать, как нужный штамм вольбахии будет распространяться в лабораторной популяции комаров. Для этого в два садка с незараженными личинками A. aegypti были посажены зараженные личинки (исходно было 65% зараженных). Для контроля использовали также штамм wMelPop-CLA.

Результаты оказались следующие: инфекция wMel быстро распространилась и достигла фиксации в садке В за 30 дней, а в садке А за 80 дней (рис. 2а). Штамм wMelPop-CLA распространялся медленнее: в садке В фиксация зарегистрирована через 40 дней, а в садке А зараженность достигла 80% только через 80 дней (рис. 2b).

Cадки А и В отличались тем, что в последнем оказалось меньше комаров; авторы объясняют это тем, что вместе с комарами там были обнаружены два геккона, которые интенсивно питались этими комарами. Таким образом, вольбахия быстрее распространяется, если общая смертность комаров выше, то есть в условиях, близких к естественным.

Рис. 2. Предполагаемые и полученные в экспериментах изменения зараженности вольбахией личинок комаров A. aegypti. Личинки, зараженные штаммами wMel (а) и wMelPop-CLA (b), были посажены к незараженным личинкам в садок А (красные кривые и символы) и садок В (черные кривые и символы). Кривые обозначают предсказания моделей, символы — реальные частоты зараженности. Рисунок из обсуждаемой статьи Walker et al. в Nature

Следующий шаг в исследованиях был в буквальном смысле шаг в природу. Авторы проекта выбрали северо-восточную область Австралии, Квинсленд, печально известную высокой зараженностью лихорадкой денге. В качестве экспериментальной площадки использовали два пригорода города Кэрнс (Cairns) — Йоркиз Ноб (Yorkeys Knob, 614 домов) и Гордонвэйл (Gordonvale, 668 домов) (рис. 3).

Рис. 3. На карте Австралии показаны два места около города Кэрнс, где были выпущены комары Aedes aegypti, зараженные вольбахией. Рисунок из статьи: Jason L. Rasgon. Dengue fever: Mosquitoes attacked from within // Nature. V. 476. P. 407–408. (25 August 2011)

За месяц до выпуска зараженных вольбахией комаров местная ветеринарная служба осмотрела все дворы, чтобы удалить воду из открытых контейнеров, где могли бы находиться яйца и личинки комаров. В январе 2011 года взрослые самцы и самки комаров были выпущены в 184 точках Йоркиз Ноба и 190 точках Гордонвэйла. После этого было проделано еще 9 таких операций, повторяющихся раз в неделю. Всего за 10 операций было выпущено 141 600 особей в Йоркиз Ноб и 157 300 особей — в Гордонвэйл (рис. 4). Последующий мониторинг проводился каждые две недели. Для этого каждый пригород был разбит на 40–42 блока. В течение первых 10 недель 320 яйцевых ловушек были разбросаны в различных водных источниках, но затем их число сократилось до ста. Из каждой яйцевой ловушки извлекали до 10 личинок и исследовали на предмет присутствия вольбахии. Надо заметить, что еще необходимо было отделять Aedes aegypti от других видов Aedes.

Рис. 4. Число выпущенных в природу комаров (серые колонки), даты выпуска и изменения частоты зараженности (зеленая линия) в пригородах Йоркиз Ноб (а) и Гордонвэйл (b). Было проведено 10 выпусков в каждом пригороде. Тропический циклон, случившийся 3 февраля (штрих-линия), возможно, нарушил сбор личинок комаров и повлиял на данные частоты зараженности в Йоркиз Нобе. Рисунок из обсуждаемой статьи Hoffmann et al. в Nature

Мониторинг показал, что в течение двух недель после первого выпуска комаров доля зараженных комаров в обоих местечках выросла на 15% (рис. 4). Еще через две недели она выросла более чем на 60% в Йоркиз Нобе, но потом упала до 40%. Авторы объясняют этот спад тропическим циклоном 5-й категории, которому подвергся городок Кэрнс. Правда, почему-то этот циклон не сказался на росте зараженности в Гордонвэйле. В Йоркиз Нобе через 5 недель после последнего выпуска доля зараженных вольбахией комаров была стопроцентная, в Гордонвэйл она достигла 90% зараженности. В обоих пригородах в самом конце периода мониторинга был небольшой спад зараженности, но авторы объясняют его началом сухого сезона, в результате которого произошел спад численности комаров.

Описанный полевой эксперимент — первый удачный случай трансформирования дикой популяции насекомых в целях ликвидации способности распространять вирусную инфекцию. Особенность описанного метода в относительной простоте и доступности. Зараженных вольбахией комаров можно достаточно быстро выращивать в лабораторных условиях, после чего выпускать в места, где обитают комары, зараженные вирусом. Пожалуй, не хватает только контрольного мониторинга, который бы показал продолжительность эффекта. Нужно запастись терпением и подождать следующего года.

Источники:
1) T. Walker, P. H. Johnson, L. A. Moreira, I. Iturbe-Ormaetxe, F. D. Frentiu, C. J. McMeniman, Y. S. Leong, Y. Dong, J. Axford, P. Kriesner, A. L. Lloyd, S. A. Ritchie, S. L. O’Neill, A. A. Hoffmann. The wMel Wolbachia strain blocks dengue and invades caged Aedes aegypti populations // Nature. 2011. V. 476, P. 450–453.
2) A. A. Hoffmann, B. L. Montgomery, J. Popovici, I. Iturbe-Ormaetxe, P. H. Johnson, F. Muzzi, M. Greenfield, M. Durkan, Y. S. Leong, Y. Dong, H. Cook, J. Axford, A. G. Callahan, N. Kenny, C. Omodei, E. A. McGraw, P. A. Ryan, S. A. Ritchie, M. Turelli, S. L. O’Neill. Successful establishment of Wolbachia in Aedes populations to suppress dengue transmission // Nature. 2011. V. 476, P. 454–457.

См. также:
1) Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями, «Элементы», 05.09.2007.

Варвара Веденина