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瘧原蟲如何流布無窮?

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雖然時間已經來到二十一世紀,但如瘧疾(malaria)這種古老的疾病不僅還沒有從地球上消失,反而還有捲土重來的跡象。單是 2015 年,全世界有大約兩億一千四百萬個新病例;患者有 88% 在非洲,10% 在東南亞,2% 在地中海區域。那一年,全世界就有大約四十三萬八千人因罹患瘧疾而死,其中非洲佔 90%, 東南亞 7%,地中海區域 2%。 瘧疾對於小孩與懷孕的婦女影響極大,2015 年死於瘧疾的人裡面,將近七成(三十萬六千人)為五歲以下的兒童,為撒哈拉以南地區兒童第四大死因 。目前瘧疾雖然已經有疫苗,但目前已上市的疫苗效果仍有限,而瘧原蟲卻已對青蒿素發展出抗藥性;因此,除了繼續研發新的藥劑來治療瘧疾、以及繼續進行疫苗的開發以外,了解它如何散播,對防治也應有極大的幫助。

瘧蚊為什麼會喜歡叮咬得瘧疾的人?

最近瑞典的斯德哥爾摩大學(Stockholm University)的研究團隊發現,惡性瘧(Plasmodium falciparum)原蟲會利用自己產生的(E)-4-羥基-3-甲基 – 丁-2-烯基焦磷酸酯((E)-4-Hydroxy-3-methyl-but-2-enyl pyrophosphate,以下簡稱 HMBPP),來改變紅血球的代謝,使紅血球產生可以吸引瘧蚊(Anopheles 屬)與家蚊(Culex 屬)的蚊子前來吸血的氣味(1)。

HMBPP。圖片來源:Wiki

HMBPP。圖片來源:Wiki

從 1998 年就發現,瘧蚊對已經感染瘧疾的人有偏好。當瘧蚊叮咬了瘧疾患者後,患者體內的配子體就會進入瘧蚊體內,在中腸產生雌雄配子、結合形成合子,動合子穿出中腸形成卵囊然後釋出成熟的子孢子移動到瘧蚊的唾腺等待下一次的叮咬。因此,對瘧原蟲來說,瘧蚊的叮咬是瘧疾散播的關鍵,能夠讓罹患瘧疾的人對瘧蚊有吸引力,絕對是一件好事。

但是,瘧原蟲釋放的代謝物絕對不只有 HMBPP,為什麼它會被研究團隊注意到呢?原來在過去已經發現,HMBPP 可以引發人類宿主的 Vγ9Vδ2 T 細胞反應,而甘比亞瘧蚊(A. gambiae)的腸道菌對它也會有一些反應(2)。

甘比亞瘧蚊圖,來源:By James D. Gathany - The Public Health Image Library , ID#444, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=198377

甘比亞瘧蚊,來源:By James D. Gathany – The Public Health Image Library , ID#444, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=198377

HMBPP 是 2-C-甲基-D-赤蘚醇-4-磷酸路徑(2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate pathway,MEP pathway,又稱為非甲羥戊酸路徑 non-mevalonate pathway)的前驅物,瘧原蟲以 MEP 路徑來合成類異戊二烯(isoprenoids)。類異戊二烯是細胞內許多重要物質的前驅物,包含賀爾蒙的合成、蛋白質的醣化等都需要它。高等真核生物(如人與蚊子)並不使用這條路徑,而是使用甲羥戊酸路徑;只有細菌與頂複門(apicomplexan)的寄生蟲使用 MEP 路徑。

研究團隊發現,雌性瘧蚊偏愛加入 HMBPP 的紅血球;當研究團隊提供加了 HMBPP 與不加的紅血球給雌性瘧蚊時,95% 的雌性瘧蚊都去吸含有 HMBPP 的血,其效果與含有瘧原蟲滋養體或配子體的紅血球的效果相當。而這個效應,只有在 HMBPP 與紅血球同時存在時出現:若以血清取代(添加 HMBPP 的血清與不加 HMBPP 的血清)則無此效應。不過,若把含有滋養體或配子體的紅血球分離,只以上清液(約含 10 微莫爾的 HMBPP)來進行觀察時,也有類似的效果。但如果先把被感染的紅血球以抑制 HMBPP 合成的藥劑膦絲菌素(fosmidomycin)處理,瘧蚊對它的偏好就消失了。這些都顯示了,瘧蚊受到 HMBPP 的吸引,而這個效應與紅血球有關。

紅血球引發特殊氣味 瘧蚊致命吸引力

這個效應是否是因為 HMBPP 刺激紅血球,使紅血球釋放出瘧蚊喜愛的氣味呢?研究團隊使用 Y 形管來測量瘧蚊對不同方式處理的紅血球發出的氣味的反應,發現 HMBPP 處理過的紅血球放出的氣味,與被配子體感染的紅血球放出的氣味相比,吸引力一樣強。

究竟這是什麼樣的氣味呢?過去對蚊子的研究發現,二氧化碳是很強的吸引劑;於是研究團隊先測量是否被 HMBPP 處理過的紅血球,釋放出來的二氧化碳比較多。結果發現,以 HMBPP 處理過的紅血球,釋放出來的二氧化碳多了 16%;不過若只是把二氧化碳與紅血球放在一起,發出來的氣味對瘧蚊的吸引力並不特別強。這代表 HMBPP 對紅血球的影響,不只是二氧化碳而已。

於是研究團隊收集了被 HMBPP 處理過的紅血球所釋放出來的揮發物質,發現這些物質加上二氧化碳,就可以產生與被 HMBPP 處理過的紅血球一樣的效果。

這些揮發物質是什麼呢?分析的結果發現,裡面有 α-蒎烯(α-pinene)、β-蒎烯(β-pinene)、檸烯(limonene)、辛醛(octanal)、壬醛(nonanal)與癸醛(decanal)。當研究團隊把這六種物質加上二氧化碳時,便有一樣的效果,而且加的越多效果越好。

更有意思的是,瘧蚊在吸食 HMBPP 處理的血時,會喝得比較多;吸了含有 HMBPP 的血的瘧蚊,體內的卵囊數也多了好幾倍,於是子孢子的數量當然也就大為增加(接近一倍)了。但是瘧蚊的繁殖力以及存活率都不受到影響。

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整體來看,受到瘧原蟲感染的人,因其紅血球被 HMBPP 作用,產生較多的二氧化碳與揮發性物質,而這些物質對瘧蚊具有吸引力,使瘧蚊對瘧疾患者產生偏好。如此一來,就會有更多的瘧蚊帶有瘧原蟲來傳播瘧疾;而且由於吸食到含有 HMBPP 血的瘧蚊可以產生更多的子孢子,可能會使牠們下次叮咬人類時感染力變得更強。與弓漿蟲(Toxoplasma gondii)對中間宿主(老鼠)的作用相比,瘧原蟲以及瘧原蟲所產生的 HMBPP 對瘧蚊本身似乎沒有產生多少影響,不若弓漿蟲會造成老鼠不怕貓、甚至對貓產生好奇,而導致殺身之禍(3)。

以氣味開發誘捕劑 對抗瘧疾新契機

有趣的是,在之前有關阿拉伯瘧蚊(Anopheles arabiensis)對氣味的研究中發現,阿拉伯瘧蚊不喜歡的氣味裡其實也包含了檸烯(4)。當然,不論是在阿拉伯瘧蚊或在本文中所提及的甘比亞瘧蚊對氣味的反應上,其實都包含了許多不同的揮發性物質;只是檸烯(俗稱檸檬油精)的氣味相當特殊,這兩種同屬的生物對它的反應卻是南轅北轍,因此筆者特別看了一下甘比亞瘧蚊對檸烯的愛好是否特別強烈?從研究團隊所提供的結果上看來,應該也不算特別強烈吧!

了解瘧蚊喜愛的氣味,便可以開發出瘧蚊的誘捕劑;加上環境衛生的管理等措施,應該也可有效控制瘧蚊的數目。雖然到後來不免會篩選出不受這些氣味吸引的瘧蚊,不過若能因此降低瘧疾傳播的速率,也可說是另一種成就吧!

文 / 葉綠舒

延伸閱讀:工作壓力大,來點乳酸桿菌(Lactobacillus)吧!

參考文獻:
1. S. N. Emami et. al. A key malaria metabolite modulates vector blood seeking, feeding, and susceptibility to infection. Science. 10.1126/science.aah4563 (2017).
2.B. G. Lindberg et. al. Immunogenic and Antioxidant Effects of a Pathogen-Associated Prenyl Pyrophosphate in Anopheles gambiae. 2013. PLOS One. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0073868
3. 鴻宇。2011. 寄生使人狂。PanSci 泛科學。
4. 葉綠舒。2016。怕蚊子叮?找隻雞來幫忙吧!Miscellaneous999

圖片說明:首圖為瘧原蟲(Plasmodium vivax)的滋養體與紅血球。

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