Improvement of tsetse mass-rearing for the sterile insect technique (SIT) through the evaluation of the impact of spiroplasma

Abstract

The progress of sub-Saharan African nations is contingent upon various factors, including health considerations. Among health concerns, neglected tropical diseases present widespread challenges in these countries, resulting in significant consequences. African trypanosomosis, encompassing Human African Trypanosomosis (HAT) or sleeping sickness in humans and Animal African Trypanosomosis (AAT) or nagana in animals, stand out as major neglected tropical diseases prevalent in sub-Saharan Africa. These diseases are transmitted by tsetse flies, serving as cyclical vectors. The absence of a preventive vaccine and effective treatment underscores the challenges in controlling trypanosomosis. Vector control emerges as a potent strategy, given the limitations associated with vaccination and treatment. In response to the environmental repercussions of chemical approaches against tsetse, an ecologically sustainable alternative has been devised—the Sterile Insect Technique (SIT). SIT involves the release of sterile males to compete with their wild counterparts for mating with wild females, yielding no progeny from these encounters. This technique has proven highly efficacious, particularly if applied within the framework of Area-Wide Integrated Pest Management (AW-IPM) programs. However, several constraints affect the efficacy of the SIT. These include challenges in mass-rearing to produce competitive sterile males and concerns about the vectorial competence of the released sterile males. To mitigate the potential of transmitted trypanosomes, various treatments are administered prior to release. A primary intervention involves supplementing the blood meal of sterile males with the trypanocidal drug isometamidium chloride. However, it is important to note that this treatment does not afford complete and comprehensive protection against all trypanosome species. Therefore, it is imperative to assess novel tools aimed at enhancing refractoriness to trypanosome infection. Various studies have yielded noteworthy insights into the pivotal role of the microbiota in tsetse flies. Notably, these flies host four endosymbionts Wigglesworthia glossinidia, Wolbachia pipientis, Sodalis glossinidius and Spiroplasma that significantly influence their biology. Understanding the intricate interplay among this microbiota, trypanosomes, and the tsetse fly holds the potential for substantial advancements in the SIT. Notably, the latter two endosymbionts have been suggested to be implicated in inducing refractoriness to trypanosome infections in the fly. The aim of this thesis was to contribute to the improvement of mass rearing for SIT by comprehensively evaluating of the impact of Spiroplasma. The research encompasses critical investigations, including (i) assessing the prevalence of Trypanosoma and Sodalis in wild tsetse fly populations and their implications for SIT, (ii) examining the prevalence of Spiroplasma and its interaction with the microbiota of wild Glossina tachinoides, (iii) evaluating the impact of endosymbiotic Spiroplasma infection on the metabolic and reproductive homeostasis of Glossina fuscipes fuscipes, and (iv) appraising the influence of Spiroplasma infection in a colonized Glossina fuscipes fuscipes colony on mass rearing and SIT. The research employs diverse molecular biology techniques throughout the investigation on wild and colonized tsetse flies spanning various taxa and geographic locations. The findings confirm a close relationship between Sodalis and Trypanosoma; however, this interaction seems to depend on the specific trypanosome or tsetse species and location. Notably, a significant correlation was identified between Sodalis and trypanosome infection in G. medicorum, G. palpalis gambiensis, and G. pallidipes. Regarding the endosymbiont Spiroplasma, its presence was exclusively noted in flies of the Palpalis group, particularly G. f. fuscipes and G. tachinoides. Moreover, G. tachinoides flies harbouring Spiroplasma exhibited lower Trypanosoma infection rates, suggesting that Spiroplasma presence might confer refractoriness to trypanosome infection in the fly. However, in colonized G. f. fuscipes, the presence of Spiroplasma seems to disadvantage the fly. Specifically, Spiroplasma induces sex bias gene expression and prolongs the gonotrophic cycle in infected females. Additionally, infected males exhibit less motile sperm compared to their uninfected counterparts. Finally, under mass-rearing conditions, G. f. fuscipes females harbouring Spiroplasma display reduced fecundity compared to uninfected females. The presence of Spiroplasma also reduces fly survival and male competitiveness in field cage conditions. The outcomes of this research thesis yield significant insights that can inform strategies for enhancing mass rearing in the context of the Sterile Insect Technique (SIT).

Die Entwicklung der Länder in Subsahara-Afrika hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter befinden sich auch Aspekte der öffentlichen Gesundheit. Zu den medizinischen Problemen gehören tropische Krankheiten, die in diesen Ländern eine große Herausforderung darstellen und erhebliche Folgen mit sich ziehen. Zu den bedeutendsten Tropenkrankheiten in Afrika südlich der Sahara gehören die Afrikanische Trypanosomose (HAT), oder Schlafkrankheit beim Menschen, und die Afrikanische Tier-Trypanosomose (AAT), oder Nagana bei Tieren. Diese Krankheiten werden durch Tsetsefliegen übertragen, die als zyklische Vektoren dienen. Das Fehlen eines präventiven Impfstoffes sowie einer wirksamen Behandlung unterstreicht die Herausforderungen bei der Bekämpfung der Trypanosomose. Die Kontrolle der Vektoren erweist sich als wirksame Strategie angesichts dieser Einschränkungen. Als Reaktion auf die Umweltauswirkungen chemischer Maßnahmen gegen Tsetsefliegen wurde eine nachhaltige Alternative entwickelt – die Sterile Insect Technique, kurz SIT. Bei der SIT werden sterile Männchen freigesetzt, die mit ihren wilden Artgenossen um die Paarung mit wilden Weibchen konkurrieren und keine Nachkommen hervorbringen. Diese Technik hat sich als äußerst wirksam erwiesen, insbesondere wenn sie im Rahmen von flächendeckender integrativer Schädlingsbekämpfung eingesetzt wird. Allerdings kann die Wirksamkeit der SIT durch mehrere Faktoren beeinträchtigt werden. Dazu gehören Herausforderungen bei der Massenauf-zucht (mass rearing) zur Produktion konkurrenzfähiger steriler Männchen und Bedenken hin-sichtlich der Vektorkompetenz der freigesetzten sterilen Männchen. Um das Potenzial der übertragenen Trypanosomen zu mindern, werden vor der Freilassung verschiedene Behandlungen durchgeführt. Eine der wichtigsten Maßnahmen besteht darin, die Blutmahlzeit der sterilen Männchen mit dem trypanoziden Wirkstoff Isometamidiumchlorid zu ergänzen. Es ist jedoch wichtig festzuhalten, dass diese Behandlung keinen vollständigen und umfassenden Schutz gegen alle Arten von Trypanosomen bietet. Daher ist es unbedingt erforderlich, neuartige Mittel zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Trypanosomeninfektionen zu prüfen. Verschiedene wissenschaftliche Studien haben bemerkenswerte Erkenntnisse über die zentrale Rolle der Mikrobiota bei Tsetsefliegen erbracht. Insbesondere beherbergen diese Fliegen die vier Endosymbionten Wigglesworthia glossinidia, Wolbachia pipientis, Sodalis glossinidius und Spiroplasma, die ihre Biologie beeinflussen können. Das Verständnis des kom-plexen Zusammenspiels zwischen dieser Mikrobiota, Trypanosomen und der Tsetsefliege birgt das Potenzial für wesentliche Fortschritte bei der SIT. Vor allem die beiden letztgenannten Endosymbionten, Sodalis glossinidius und Spiroplasma, könnten die Widerstandsfähigkeit gegen Infektionen mit Trypanosomen beeinflussen. Das Ziel dieser Arbeit war es, durch eine umfassende Bewertung der Auswirkungen von Spiroplasma einen Beitrag zur Verbesserung des massrearing für die SIT zu leisten. Die Forschungsarbeit umfasst verschiedene Untersuchungen, darunter (i) die Bewertung der Prävalenz von Trypanosoma und Sodalis in wilden Populationen von Tsetsefliegen und deren Auswirkungen auf die SIT, (ii) die Untersuchung der Prävalenz von Spiroplasma und seiner Interaktion mit den Mikrobiota von wild lebenden Glossina tachinoides, (iii) die Bewertung der Auswirkungen einer Infektion mit Spiroplasma auf das Gleichgewicht des Stoffwechsels und der Reproduktion von Glossina fuscipes fuscipes und (iv) die Bewertung des Einflusses einer Infektion mit Spiroplasma in einer Kolonie von Glossina fuscipes fuscipes auf die Massenaufzucht und SIT. Bei den Untersuchungen an wilden und kolonisierten Tsetsefliegen aus verschiedenen Taxa und geografischen Regionen wurden verschiedene molekularbiologische Methoden eingesetzt. Die Ergebnisse bestätigen eine enge Beziehung zwischen Sodalis und Trypanosoma; diese Wechselwirkung scheint jedoch von der jeweiligen Spezies von Trypanosomen und Tsetsefliegen und deren Verbreitungsorten abzuhängen. Insbesondere wurde eine signifikante Korrelation zwischen Sodalis und Trypanosomeninfektion bei G. medicorum, G. palpalis gam-biensis und G. pallidipes festgestellt. Der Endosymbiont Spiroplasma wurde ausschließlich bei Fliegen der Palpalis-Gruppe festgestellt, insbesondere bei G. f. fuscipes und G. tachinoides. Darüber hinaus wiesen G. tachinoides, die Spiroplasma beherbergten, geringere Infektionsra-ten mit Trypanosomen auf, was darauf schließen lässt, dass die Präsenz von Spiroplasma die Fliege widerstandsfähiger gegen Trypanosomen-Infektionen machen könnte. Bei kolonisierten G. f. fuscipes scheint die Präsenz von Spiroplasma jedoch einen Nachteil für die Fliegen darzustellen. Insbesondere führt Spiroplasma zu einer geschlechtsspezifisch unterschiedlichen Genexpression und verlängert den gonotrophischen Zyklus bei infizierten Weibchen. Außer-dem weisen infizierte Männchen im Vergleich zu ihren nicht infizierten Artgenossen weniger bewegliche Spermen auf. Abschließend wurde festgestellt, dass Weibchen von G. f. fuscipes, die Spiroplasma in sich tragen, unter Bedingungen der Massenaufzucht eine geringere Fruchtbarkeit aufweisen, als nicht infizierte Weibchen. Die Präsenz von Spiroplasma verringert auch die Überlebensrate der Fliegen und die Konkurrenzfähigkeit der Männchen unter Feldkäfigbedingungen.