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Fanny Elisabeth Eberhard

• Weltweit werden etwa 17% aller Infektionskrankheiten von Vektoren auf den Menschen übertragen. Dabei dienen meist blutsaugende Arthropoden wie Stechmücken, Zecken oder Sandfliegen als Überträger von Bakterien, Viren oder einzelligen Parasiten. Zur letzteren Gruppe gehört auch der protozoische Erreger der Chagas-Krankheit Trypanosoma cruzi. Er wird von hämatophagen Triatominae, einer Unterfamilie der Raubwanzen (Hemiptera: Reduviidae) während der Blutmahlzeit an einem infizierten Säugerwirt aufgenommen, durchläuft komplexe Entwicklungsschritte im intestinalen Trakt der triatominen Insekten und wird anschließend über den Fäzes und Urin der Wanzen abgegeben. Die Infektion des nächsten Wirts erfolgt dann durch das versehentliche Einreiben der Erreger in die Stichwunde oder auf Schleimhäute. Auch eine Infektion über die orale Aufnahme von kontaminierter Nahrung, Mutter-Kind-Infektionen und die Übertragung durch Blutkonserven und Organtransplantate sind möglich. Die Chagas‑Krankheit, oder auch Amerikanische Trypanosomiasis, ist insbesondere in Mittel- und Südamerika verbreitet und betrifft nach Schätzungen der WHO 6 bis 7 Millionen Menschen. Infolge von globaler Immigration und erhöhtem Reiseverkehr treten jedoch in den letzten Jahrzehnten auch vermehrt Fälle in Europa, den USA, Kanada und den westlichen Pazifikstaaten auf. Da dort bislang geeignete Vektoren fehlen, kommt es außerhalb des lateinamerikanischen Kontinents nicht zu vektorübertragenen Infektionen. Dies könnte sich jedoch im Zuge des Klimawandels und einer voranschreitenden Globalisierung ändern, sollte der Ausbreitung der Chagas-Krankheit eine Ausbreitung ihrer triatominen Vektoren folgen. Inwieweit Triatominae unter heutigen Bedingungen klimatisch geeignete Habitate außerhalb des amerikanischen Kontinents finden, wurde innerhalb des ersten Projekts der vorliegenden Dissertation untersucht. Dazu wurde mit Hilfe der ökologischen Nischenmodellierung und Vorkommensdaten verschiedener vektorkompetenter Raubwanzenarten sowie klimatischer Umweltvariablen die klimatische Eignung verschiedenster Lebensräume modelliert und global projiziert. Es zeigte sich, dass insbesondere tropische und subtropische Gebiete Afrikas sowie Ost- und Südostasiens zwischen 21° nördlicher Breite und 24° südlicher Breite für viele triatomine Vektorarten geeignete Bedingungen aufweisen. Auffällig ist dabei insbesondere die Art Triatoma rubrofasciata, welche nachweislich bereits in Südchina, Vietnam und weiteren Ländern Afrikas und Asiens gefunden wurde. Die Modellierung offenbarte, dass weitere ausgedehnte Teile der Küstenregionen Afrikas und Südostasiens als für T. rubrofasciata klimatisch geeignet angesehen werden müssen. Eine weitere Ausbreitung dieser Art ist demnach äußerst wahrscheinlich und stellt bislang das größte Risiko autochthon übertragener Chagas-Infektionen außerhalb des amerikanischen Kontinents dar. Es konnten außerdem zwei triatomine Arten identifiziert werden, namentlich T. infestans und T. sordida, welche in gemäßigten Klimazonen geeignete Habitate finden. Zu diesen gehören beispielsweise Neuseeland und Teile Australiens, aber auch südeuropäische Länder wie Spanien, Italien, Griechenland und Portugal. Da mit einer Ausweitung der klimatisch geeigneten Gebiete infolge des sich verändernden Klimas zu rechnen ist, wäre ein Monitoring der Vektoren, wie es bereits in Südchina etabliert ist, aber insbesondere die Einführung der Meldepflicht für Amerikanische Trypanosomiasis in diesen Regionen sinnvoll. Die Ergebnisse der Studie zeigen deutlich, dass die bisher vernachlässigte Tropenkrankheit Chagas nicht allein ein Problem des lateinamerikanischen Kontinents ist, sondern deren Erforschung vielmehr weltweit Beachtung finden sollte. So konzentrierten sich die folgenden Forschungsprojekte der Promotion verstärkt auf die Mechanismen, welche die Entwicklung und Transmission des Parasiten und die Interaktion mit seinen Vektoren betreffen. Von besonderem Interesse waren dabei die ökologischen Prozesse, welche bei der Kolonisation des Darmtrakts der Vektoren durch T. cruzi ablaufen und essentiell für die Proliferation und damit die Übertragung des Parasiten sind. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die mit dem Vektor assoziierten Mikroorganismen und ihre funktionellen Fähigkeiten – zusammengefasst als Mikrobiom bezeichnet. Dieses erfüllt wichtige physiologische Funktionen des Insekts und kann beispielsweise das Immunsystem und die Detoxifikation beeinflussen. Um die Veränderungen der organismischen Zusammensetzung und der funktionellen Kapazitäten, welche die Infektion mit dem Pathogen im Darmtrakt der Vektoren auslösen, zu untersuchen, wurde ein metagenomischer Shotgun Sequenzierungsansatz gewählt. Die daraus resultierenden Datensätze wurden anschließend bioinformatisch ausgewertet und auf ihre mikrobielle Zusammensetzung und metabolischen Fähigkeiten hin untersucht. Es zeigte sich zunächst, dass das Bakterium Rhodococcus rhodnii, welches lange als alleiniger echter Symbiont des untersuchten Vektors Rhodnius prolixus galt, in seiner Funktionalität nicht einzigartig im Mikrobiom des Insekts ist. ...
• Around 17% of all infectious diseases worldwide are transmitted to humans by vectors. Blood-sucking arthropods such as mosquitoes, ticks and sand flies are common carriers for bacteria, viruses and unicellular parasites, including the etiological agent of Chagas disease, Trypansoma cruzi. The pathogen is ingested by haematophagous Triatominae, a subfamily of the assassin bugs (Hemiptera: Reduviidae) during the blood meal on an infected mammalian host, undergoes complex developmental steps in the intestinal tract of the triatomine insect and is then released via the faeces and urine of the bugs. The subsequent host is infected by accidentally rubbing the parasite into the bite wound or onto mucous membranes. Infection also occurs through the ingestion of contaminated food, mother-child infections and transmission through blood products and organ transplants. Chagas disease, which is also called American trypanosomiasis, is particularly widespread in Central and South America and, according to WHO estimates, affects 6 to 7 million people. Albeit, as a result of global immigration and increased travel, cases have also been reported in Europe, the USA, Canada and the western Pacific states in recent decades. Since there are currently no suitable vectors there, vector-borne infections do not occur outside of the Latin American continent. However, this could change in the course of climate change and advancing globalization, if the spread of Chagas disease is followed by the spread of its triatomine vectors. The extent to which the Triatominae find climatically suitable habitats outside the American continent under current conditions was investigated within the first project of the present dissertation. For this purpose, the climatic suitability of various habitats was estimated using ecological niche modeling and occurrence data of several vector competent triatomine species as well as climatic environmental variables, and was projected globally. It was shown that especially tropical and subtropical areas of Africa as well as East and Southeast Asia between 21 ° north latitude and 24 ° south latitude possess suitable conditions for various triatomine vector species. Particurlarly, the species Triatoma rubrofasciata, which has been found in southern China, Vietnam and other countries in Africa and Asia, is of great interest. The modeling results revealed that further widespread areas of the coastal regions of Africa and Southeast Asia must be considered climatically suitable for T. rubrofasciata. A further spread of this species is therefore extremely likely and, so far, represents the greatest risk of autochthonously transmitted Chagas disease outside of the American continent. Furthermore, two triatomine species were identified, namely T. infestans and T. sordida, finding suitable habitats in temperate climates. These include, for example, New Zealand and parts of Australia, but also southern European countries such as Spain, Italy, Greece and Portugal. Since an expansion of the climatically suitable areas is to be expected as a result of a changing climate, monitoring of the vectors, as it is already established in southern China, but in particular the introduction of mandatory reporting for American trypanosomiasis in these regions would be useful. The results of the study clearly show that the neglected tropical Chagas disease is not solely a Latin American problem and should rather receive attention in the scientfic community worldwide. Therefore, the following research projects of the doctorate concentrated on the mechanisms affecting the development and transmission of the parasite and its interaction with the vector. Especially, the ecological processes during the colonization of the vector‘s intestinal tract by T. cruzi and their effects on the proliferation and, thus, the transmission of the parasite were studied. In particular, the microorganisms associated with the vector and their functional capabilities - collectively referred to as the microbiome - play a decisive role. The microbiome fulfills important physiological functions of the insect and can, for example, influence the immune system and support detoxification. A metagenomic shotgun sequencing approach was chosen to investigate the changes in the microbial composition and the functional capacities caused by the infection with the pathogen. The resulting data sets were then evaluated bioinformatically and examined for their microbial differences and metabolic gene clusters. It was shown that the bacterium Rhodococcus rhodnii, which was long considered the sole true symbiont of the examined vector, Rhodnius prolixus, is not unique in its functionality. For example, a few other bacteria were able to produce the B complex vitamins that are missing in the insect‘s diet due to its obligatory blood-sucking lifestyle. The presence of gene clusters for secondary metabolites such as type II polyketides could also be demonstrated. Further analysis of the microbiome revealed the recently described Enterobacteriaceae Candidatus Symbiopectobacterium as part of the R. prolixus microbiota. Interestingly, the infection of the vector with T. cruzi as well as with T. rangeli, a non-pathogenic relative of T. cruzi, led to a considerable change in the microbial composition of the intestinal microbiota. ...