Malaria: l’infezione da Plasmodium dipende dal microbioma della zanzara Anophele

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Malaria: l’infezione da Plasmodium dipende dal microbioma della zanzara Anophele

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Stato dell’arte
Lo zucchero dei nettari è la principale fonte di energia per le zanzare, anofele comprese. Se e come questo influenzi la diffusione della malaria è ancora poco chiaro.

Cosa aggiunge questo studio
Scopo dello studio è stato quello di valutare la relazione tra lo sviluppo dell’infezione da Plasmodium berghei (vettore malarico) nelle zanzare Anopheles stephensi e il metabolismo del glucosio.

Conclusioni
Il supplemento di glucosio/tetralosio ha promosso la proliferazione del batterio commensale Asaia bogorensis coinvolto nel suo metabolismo con conseguente aumento di pH intestinale. La variazione di pH a sua volta sostiene la maturazione di P. berghei facilitandone l’infezione.

Un supplemento di glucosio/tetralosio nelle zanzare promuove l’infezione da Plasmodium attraverso la proliferazione del ceppo batterico commensale Asaia bogorensis coinvolto nel suo metabolismo.

L’infezione è in particolare sostenuta dall’aumento del pH dell’intestino medio mediato dal batterio con conseguente maturazione sessuale del patogeno e una maggiore capacità infettiva.

È quanto afferma lo studio di Mengfei Wang e colleghi della Fudan University di Shangai (Cina), di recente pubblicato su Cell Reports.

Nettare e microbiota intestinale della zanzara

Le zanzare utilizzano il nettare come principale fonte energetica essendo questo ricco di zuccheri quali glucosio, fruttosio, galattosio. Questi carboidrati non sono importanti solo per la sopravvivenza di tali insetti, ma anche per la loro fecondità.

Alcune evidenze dimostrano poi un coinvolgimento del metabolismo dei carboidrati anche nella capacità di trasmettere i parassiti della malaria. Alterando infatti il trasporto del tetralosio (lo zucchero ematico più abbondante negli insetti, formato da due molecole di glucosio) come di due peptidi insulino-simili (ILP3-4) si è vista una riduzione nella suscettibilità di infezione da Plasmodium falciparum.

Di contro, l’ingestione di insulina umana facilita l’infezione inibendo la risposta immunitaria della zanzara. Il metabolismo del glucosio sembrerebbe quindi avere un ruolo importante nel regolare l’infezione da Plasmodium delle zanzare e, di conseguenza, nella trasmissione della patologia malarica.

I meccanismi che ne stanno alla base rimangono però ancora da chiarire. A tal proposito, utilizzando un approccio metabolico i ricercatori hanno seguito l’infezione da Plasmodium berghei in zanzare Anopheles in risposta a supplemento o meno di glucosio-tetralosio.

I risultati dello studio

L’infezione con P. berghei altera significativamente il profilo metabolico dell’ospite interessando 21 metaboliti, glucosio e tetralosio compresi. In particolare:

  • rispetto ai controlli, l’infezione ha ridotto i livelli di glucosio, tetralosio, succinato e citrato già dopo un giorno. Differenze significative raggiunte però solo al quinto giorno con un livello di parassitemia del 15%. Aumentati invece piruvato e citrato suggerendo un aumento dell’attività glicolitica
  • l’infezione non ha invece alterato i livelli di glucosio o tetralosio in modelli trattati con antibiotici per la rimozione del microbioma, mostrando un suo coinvolgimento

Esaminando poi la relazione nel verso contrario, ossia se e come il supplemento di glucosio/tetralosio e/o saccarosio (2% o 10% in soluzione acquosa per 5 giorni prima dell’inoculazione dei patogeni P. berghei o P. falciparum) impatti sull’infezione si è visto che:

  • gli ovociti (cellule germinali) di entrambi i patogeni erano maggiori negli esemplari con glucosio/tetralosio rispetto a quelli con solo saccarosio, senza però mostrare una dose dipendenza
  • ancora una volta, nei modelli pretrattati con antibiotico, il supplemento zuccherino non ha alterato la fecondità dei patogeni
  • il pre-supplemento dell’inibitore glicolitico 2-deossi-D-glucosio (2-DG) ha abolito l’effetto del glucosio sull’infettività di Plasmodium, effetti non registrati tuttavia se somministrato dopo l’infezione.

Aumentati livelli di glucosio/tetralosio prima dell’infezione ne aumenterebbero quindi la suscettibilità e virulenza. Il solo incremento di dosaggio di zuccheri (e quindi la loro disponibilità sistemica) non sembrerebbe però bastare. Alla ricerca dell’attore mancate, gli autori si sono quindi focalizzati sul microbiota del medio intestino per il quale numerose evidenze hanno dimostrato un ruolo in questa infezione. Ma dei 1.879 OTUs identificati, quali sono i batteri coinvolti? C’è differenza tra il microbioma delle zanzare con e senza supplemento di glucosio? Sembrerebbe di sì. Nel dettaglio:

  • il supplemento di glucosio ha aumentato significativamente l’abbondanza relativa di Asaia sp., Asaia bogorensis in particolare, nel medio intestino rispetto al gruppo con solo saccarosio
  • isolando A. bogorensis e inoculandolo in modelli pretrattati con antibiotici (ma non germ-free) se ne è osservata sia una proliferazione glucosio dipendente sia un aumento degli ovociti confermando i risultati precedenti e il coinvolgimento nell’infezione

Per approfondire come il glucosio promuova l’infezione da P. berghei è stato valutato il profilo di espressione genica rispetto a prima del trattamento dimostrando come:

  • 460 e 97 geni sono risultati differentemente espressi rispettivamente il giorno prima e dopo l’infezione nel gruppo con glucosio rispetto a quello con saccarosio
  • tra i pathway repressi dal glucosio troviamo in particolare quello Imd (Immunodeficiency), una via di segnalazione immunitaria NF-kB mediata coinvolta nella risposta di difesa antibatterica. Caudal, inibitore di Imd è infatti risultato up-regolato. Di contro, i peptidi antimicrobici defensina e cecropina hanno mostrato un decremento di espressione sostenendo in generale una maggiore suscettibilità all’infezione. Aumentando però l’espressione di questo pathway non è stata registrata una completa resistenza all’infezione suggerendo la sua non esclusività nel determinare la proliferazione dei patogeni
  • differente espressione tra i due gruppi anche per un gruppo di geni codificanti per ATPasi vacuolari (V-ATPase) quali H_N1, H_N2,  H_N3, H_N4,  G1, G2, e C, importanti per il controllo del pH intra- ed extra-cellulare
  • silenziando questi geni ATPasi si è invece registrato un aumento sia degli ovociti sia del pH locale rispetto ai controlli suggerendo un coinvolgimento e una relazione di questi due fattori (ovociti e pH)

Lo studio è quindi proseguito esaminando meglio il ruolo del pH e se il supplemento di glucosio lo potesse influenzare.

  • rispetto ai controlli (trattati con altri zuccheri), i gruppi supplementari con glucosio/tetralosio hanno mostrato un aumento significativo del pH. La soppressione della glicolisi con 2-DG ha invece riportato i livelli a valori fisiologici. Glucosio/tetralosio sembrerebbero quindi agire sull’attività dei geni V-ATPasi
  • esponendo poi questi modelli a Plasmodium se ne è registrata una maggiore suscettibilità in quelli con pH maggiore. Di contro, il pathway Imd ha mostrato una diminuzione di attività
  • modelli con pH acidificato hanno invece mostrato una buona resistenza allo sviluppo infettivo

Microbiota e pH intestinale

Unendo le evidenze, come A. bogorensis riesce a controllare il pH intestinale? La risposta sembrerebbe venire dalla sua capacità di modulare l’attività metabolica in risposta a diverse fonti di carboidrati con conseguente alterazione delle condizioni acidi/basiche.

In caso di supplemento di glucosio e tetralosio, ad esempio, si è mostrata l’alterazione di 15 metaboliti, due dei quali metaboliti del glucosio ossia citrato e succinato. La riduzione di questi due acidi spiegherebbe l’aumento del pH.

L’alterazione del pH sembrerebbe poi riflettersi in un’aumentata gametogenesi e sviluppo sessuale del patogeno agendo in particolare su cdpk1, ppm1, sas-6, gest, e mdv-1, soppressi da un pH inferiore.

Passando infine a uno scenario “reale”, i ricercatori hanno confrontato alcune delle potenziali fonti di glucosio prelevando quindi il nettare da 5 diverse piante (Tecoma stans, Senna didymobotrya, Ricinus communis, Parthenium hysterophorus, e Lantana camara). 

Rispetto a quelli delle altre piante, i nettari da T. stans e S. didymobotrya hanno mostrato un maggiore aumento di A. bogorensis con espansione del numero di ovociti post P. berghei infezione, in linea con quanto indotto dal glucosio per sé, supportando anche l’importanza della fonte di zuccheri per lo sviluppo di infezione.

Conclusioni

Per concludere quindi, questo studio offre una prospettiva molecolare per interpretare le interazioni tra zanzare anofele, microbioma intestinale e parassiti malarici.

In breve, l’infezione da Plasmodium aumenta il metabolismo del glucosio nelle zanzare. La connessione avviene tramite il ceppo commensale S. bogorensis, modulatore della glicolisi con conseguente alterazione del pH e potenziamento dello sviluppo sessuale del patogeno.

Silvia Radrezza
Laureata in Farmacia presso l’Univ. degli Studi di Ferrara, consegue un Master di 1° livello in Ricerca Clinica all’ Univ. degli Studi di Milano. Borsista all’Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri IRCCS dal 2017 al 2018, è ora dottoranda in Scienze Farmaceutiche presso l’Univ. degli Studi di Milano.

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