疟原虫如何流布无穷?

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虽然时间已经来到二十一世纪,但如疟疾(malaria)这种古老的疾病不仅还没有从地球上消失,反而还有卷土重来的迹象。单是 2015 年,全世界有大约两亿一千四百万个新病例;患者有 88% 在非洲,10% 在东南亚,2% 在地中海区域。那一年,全世界就有大约四十三万八千人因罹患疟疾而死,其中非洲占 90%, 东南亚 7%,地中海区域 2%。 疟疾对于小孩与怀孕的妇女影响极大,2015 年死于疟疾的人里面,将近七成(三十万六千人)为五岁以下的儿童,为撒哈拉以南地区儿童第四大死因 。目前疟疾虽然已经有疫苗,但目前已上市的疫苗效果仍有限,而疟原虫却已对青蒿素发展出抗药性;因此,除了继续研发新的药剂来治疗疟疾、以及继续进行疫苗的开发以外,了解它如何散播,对防治也应有极大的帮助。

疟蚊为什么会喜欢叮咬得疟疾的人?

最近瑞典的斯德哥尔摩大学(Stockholm University)的研究团队发现,恶性疟(Plasmodium falciparum)原虫会利用自己产生的(E)-4-羟基-3-甲基 – 丁-2-烯基焦磷酸酯((E)-4-Hydroxy-3-methyl-but-2-enyl pyrophosphate,以下简称 HMBPP),来改变红血球的代谢,使红血球产生可以吸引疟蚊(Anopheles 属)与家蚊(Culex 属)的蚊子前来吸血的气味(1)。

HMBPP。图片来源:Wiki

HMBPP。图片来源:Wiki

从 1998 年就发现,疟蚊对已经感染疟疾的人有偏好。当疟蚊叮咬了疟疾患者后,患者体内的配子体就会进入疟蚊体内,在中肠产生雌雄配子、结合形成合子,动合子穿出中肠形成卵囊然后释出成熟的子孢子移动到疟蚊的唾腺等待下一次的叮咬。因此,对疟原虫来说,疟蚊的叮咬是疟疾散播的关键,能够让罹患疟疾的人对疟蚊有吸引力,绝对是一件好事。

但是,疟原虫释放的代谢物绝对不只有 HMBPP,为什么它会被研究团队注意到呢?原来在过去已经发现,HMBPP 可以引发人类宿主的 Vγ9Vδ2 T 细胞反应,而冈比亚疟蚊(A. gambiae)的肠道菌对它也会有一些反应(2)。

冈比亚疟蚊图,来源:By James D. Gathany - The Public Health Image Library , ID#444, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=198377

冈比亚疟蚊,来源: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-赤藓醇-4-磷酸路径(2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate pathway,MEP pathway,又称为非甲羟戊酸路径 non-mevalonate pathway)的前驱物,疟原虫以 MEP 路径来合成类异戊二烯(isoprenoids)。类异戊二烯是细胞内许多重要物质的前驱物,包含贺尔蒙的合成、蛋白质的糖化等都需要它。高等真核生物(如人与蚊子)并不使用这条路径,而是使用甲羟戊酸路径;只有细菌与顶复门(apicomplexan)的寄生虫使用 MEP 路径。

研究团队发现,雌性疟蚊偏爱加入 HMBPP 的红血球;当研究团队提供加了 HMBPP 与不加的红血球给雌性疟蚊时,95% 的雌性疟蚊都去吸含有 HMBPP 的血,其效果与含有疟原虫滋养体或配子体的红血球的效果相当。而这个效应,只有在 HMBPP 与红血球同时存在时出现:若以血清取代(添加 HMBPP 的血清与不加 HMBPP 的血清)则无此效应。不过,若把含有滋养体或配子体的红血球分离,只以上清液(约含 10 微莫尔的 HMBPP)来进行观察时,也有类似的效果。但如果先把被感染的红血球以抑制 HMBPP 合成的药剂膦丝菌素(fosmidomycin)处理,疟蚊对它的偏好就消失了。这些都显示了,疟蚊受到 HMBPP 的吸引,而这个效应与红血球有关。

红血球引发特殊气味 疟蚊致命吸引力

这个效应是否是因为 HMBPP 刺激红血球,使红血球释放出疟蚊喜爱的气味呢?研究团队使用 Y 形管来测量疟蚊对不同方式处理的红血球发出的气味的反应,发现 HMBPP 处理过的红血球放出的气味,与被配子体感染的红血球放出的气味相比,吸引力一样强。

究竟这是什么样的气味呢?过去对蚊子的研究发现,二氧化碳是很强的吸引剂;于是研究团队先测量是否被 HMBPP 处理过的红血球,释放出来的二氧化碳比较多。结果发现,以 HMBPP 处理过的红血球,释放出来的二氧化碳多了 16%;不过若只是把二氧化碳与红血球放在一起,发出来的气味对疟蚊的吸引力并不特别强。这代表 HMBPP 对红血球的影响,不只是二氧化碳而已。

于是研究团队收集了被 HMBPP 处理过的红血球所释放出来的挥发物质,发现这些物质加上二氧化碳,就可以产生与被 HMBPP 处理过的红血球一样的效果。

这些挥发物质是什么呢?分析的结果发现,里面有 α-蒎烯(α-pinene)、β-蒎烯(β-pinene)、柠烯(limonene)、辛醛(octanal)、壬醛(nonanal)与癸醛(decanal)。当研究团队把这六种物质加上二氧化碳时,便有一样的效果,而且加的越多效果越好。

更有意思的是,疟蚊在吸食 HMBPP 处理的血时,会喝得比较多;吸了含有 HMBPP 的血的疟蚊,体内的卵囊数也多了好几倍,于是子孢子的数量当然也就大为增加(接近一倍)了。但是疟蚊的繁殖力以及存活率都不受到影响。

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整体来看,受到疟原虫感染的人,因其红血球被 HMBPP 作用,产生较多的二氧化碳与挥发性物质,而这些物质对疟蚊具有吸引力,使疟蚊对疟疾患者产生偏好。如此一来,就会有更多的疟蚊带有疟原虫来传播疟疾;而且由于吸食到含有 HMBPP 血的疟蚊可以产生更多的子孢子,可能会使牠们下次叮咬人类时感染力变得更强。与弓浆虫(Toxoplasma gondii)对中间宿主(老鼠)的作用相比,疟原虫以及疟原虫所产生的 HMBPP 对疟蚊本身似乎没有产生多少影响,不若弓浆虫会造成老鼠不怕猫、甚至对猫产生好奇,而导致杀身之祸(3)。

以气味开发诱捕剂 对抗疟疾新契机

有趣的是,在之前有关阿拉伯疟蚊(Anopheles arabiensis)对气味的研究中发现,阿拉伯疟蚊不喜欢的气味里其实也包含了柠烯(4)。当然,不论是在阿拉伯疟蚊或在本文中所提及的冈比亚疟蚊对气味的反应上,其实都包含了许多不同的挥发性物质;只是柠烯(俗称柠檬油精)的气味相当特殊,这两种同属的生物对它的反应却是南辕北辙,因此笔者特别看了一下冈比亚疟蚊对柠烯的爱好是否特别强烈?从研究团队所提供的结果上看来,应该也不算特别强烈吧!

了解疟蚊喜爱的气味,便可以开发出疟蚊的诱捕剂;加上环境卫生的管理等措施,应该也可有效控制疟蚊的数目。虽然到后来不免会筛选出不受这些气味吸引的疟蚊,不过若能因此降低疟疾传播的速率,也可说是另一种成就吧!

文 / 叶绿舒

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参考文献:
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. 鸿宇。2011. 寄生使人狂。PanSci 泛科学。
4. 叶绿舒。2016。怕蚊子叮?找只鸡来帮忙吧!Miscellaneous999

图片说明:首图为疟原虫(Plasmodium vivax)的滋养体与红血球。