effect of the Immune Response to Pathogens in the Nervous System and Behavior of InsectsThe

Bergmann, Stella

Dissertation 2023 CC BY 4.0

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The effect of the Immune Response to Pathogens in the Nervous System and Behavior of Insects

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Arboviren (durch Arthropoden übertragene Viren) stellen eine erhebliche globale Gesundheitsgefahr dar und tragen zu 30 % der neu auftretenden Infektionskrankheiten beim Menschen bei. Beispielsweise ist Rifttal-Fieber (RVF) in der Lage schwere Ausbrüche auszulösen, während antivirale Behandlungen fehlen. Der Einfluss des Klimawandels auf die Ausbreitung von vektorübertragenen Krankheiten im Zusammenhang mit der Anpassungsfähigkeit ihrer Vektoren unterstreicht die Notwendigkeit die Immunantwort der Insekten und die Wechselwirkungen zwischen Pathogenen und Insekten zu untersuchen. Stickstoffmonoxid (NO) hat eine vielschichtige Rolle als Effektor- und Signalmolekül sowohl im Immunsystm der Insekten als auch im Nervensystem. Durch Untersuchung der durch NO vermittelten Effekte können Mechanismen aufgedeckt werden, durch die Pathogene das Verhalten der Insekten und die Immunantwort beeinflussen.

Die Rolle von NO im Immunsystem und in Hämozyten wurde während Immunstimulation in Heuschrecken und Mücken untersucht. Verschiedene Techniken wurden eingesetzt, darunter die Immunmarkierung von L-Citrullin zur Erkennung der NO-Produktion und die NADPH-Diaphorasefärbung zur Identifizierung der NO-Synthase (NOS). Zur effizienten Quantifizierung wurde eine halbautomatische Methode zur Beurteilung der primären Hämozytenkultur von Locusta migratoria entwickelt. Dieser Ansatz zeigte eine signifikante Zunahme von NO-produzierenden Hämozyten nach spezifischen Immunstimuli. Sowohl bei Heuschrecken als auch bei den vier untersuchten Mückenarten (Culex pipiens molestus, Culex pipiens quinquefasciatus, Aedes albopictus, Aedes aegypti) wurden Hämozyten in den dorsalen Bereichen des Abdomens in Herznähe gefunden und waren auch auf der ventralen Seiten verstreut, manchmal am ventralen Nervemsystem angeheftet. Die Intensität der Immunantwort zeigte artspezifische Unterschiede, selbst zwischen Mücken derselben Gattung. Darüber hinaus wurden potenzielle Wechselwirkungen zwischen Immun- und Nervensystem durch den Einsatz eines Antikörpers gegen den sekundären Botenstoff zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP), der eine cGMP-Akkumulation bei Gabe von NO-Donoren oder stimulierten Hämozyten zeigte.

RVFV und CYV replizierten in Drosophila, darüber hinaus erhöhte CYV die Sterblichkeit ähnlich wie bei Culex-Männchen. Dies unterstreicht das Potenzial von Drosophila als Nicht-Vektormodell für die Erforschung von Arboviren oder insektenspezifischen Viren (ISVs).

In Drosophila melanogaster wurde der Einfluss von Arbovireninfektionen mit dem Rifttal-Fieber-Virus (RVFV), auf das Verhalten und die sensorische Wahrnehmung untersucht. Damit wurde dieser klassische Modellorganismus für die Erforschung humanpathogener Arboviren in nicht stechenden Arten etabliert. Die Antworten der Antennen im Elektroantennogramms (EAG) deuteten auf eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Gerüchen hin, besonders offensichtlich am ersten Tag nach der Infektion. Bei der olfaktorischen Präferenz zeigte eine verringerte Attraktivität gegenüber bestimmten Gerüchen. Darüber hinaus wurden im Locomotor Activity Monitor (LAM) reduzierte Aktivitätsniveaus beobachtet. Gleichzeitig wurde eine erhöhte Expression von NOS durch quantitative real time-PCR nachgewiesen.

Das Verständnis der Immunantwort von Insekten, insbesondere bei Arbovirus-übertragenden Vektoren wie Mücken, bietet Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen Pathogenen, Immunsystem und Verhalten im Hinblick auf Krankheitskontrolle und -prävention.

Arboviruses (arthropod-borne viruses) represent a great global health threat, contributing to 30% of emerging infectious diseases in humans. Rift Valley Fever (RVF) is an example, capable of triggering severe outbreaks and antiviral treatments still lacking. The influence of climate change on the spread of these vector-borne diseases, coupled with the adaptability of their vectors, underlines the pressing need to investigate insect immune responses and pathogen-insect interactions. Nitric oxide (NO) has a multifaceted role as both an effector and messenger molecule within the insect immune and nervous system. Investigating the effects mediated by NO holds promise in unraveling the mechanisms by which pathogens impact insect behavior and immune responses.

NO’s role in the immune system and hemocytes was investigated during immune challenge focusings on locusts and mosquitoes. Various techniques were employed, including L-citrulline immunolabeling to detect NO production and NADPH diaphorase staining to identify NO synthase (NOS). To facilitate efficient quantification, a semi-automatic method was developed for assessing primary hemocyte culture from Locusta migratoria. This approach revealed a substantial increase in NO-producing hemocytes following specific immune stimuli. In both locusts and the four investigated mosquito species (Culex pipiens molestus,Culex pipiens quinquefasciatus, Aedes albopictus, Aedes aegypti), hemocytes were predominantly located in the dorsal abdominal regions near the heart and were scattered on ventral abdomens, sometimes attaching to the ventral nerve cord. Intensity of immune responses showed species-specific differences even between mosquitoes of the same genera. Furthermore, the study explored potential interactions between immune and nervous system by employing an antibody against the second messenger cyclic guanosine monophosphate (cGMP), revealing cGMP accumulation upon stimulation through NO from either NO donors or stimulated hemocytes.

RVFV and CYV did replicate in Drosophila and CYV reducing survival similar to Culex males This highlights the potential of Drosophila as a non-vector model for studying arboviruses or insect specific viruses (ISVs).

In Drosophila melanogaster, the impact of arboviral infections, like RVF virus (RVFV), on behavior and sensory perception was studied, establishing this classical model organism for investigating human

pathogenic arboviruses in a non-biting species. The electroantennogram (EAG) responses indicated decreased sensitivity to certain odors, particularly evident at one day post-infection. An olfactory choice test demonstrated reduced attraction to specific odors. In addition, reduced activity levels were observed in locomotor activity assays. Simultaneously, elevated NOS expression as revealed by real time quantitative PCR.

Understanding insect immune responses, particularly in arbovirus-carrying vectors like mosquitoes, offers insights into the complex interactions between pathogens, immunity, and behavior, with implications for disease control and prevention.