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Biodiversity and vector-borne diseases: effects of landscape, mosquito and vertebrate communities on the transmission of West Nile virus and avian malaria parasite

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2017
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2017-
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Figuerola Borras, Jordi
Martinez de la Puente, Josué
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Los patógenos son agentes biológicos externos que se alojan en un huésped determinado, dañando de alguna manera su anatomía a partir de enfermedades o daños visibles o no. Ambos, patógenos y hospedadores, se encuentran en constante competencia por los recursos, en los que el primero intenta maximizar sus posibilidades de desarrollo y transmisión, mientras que el segundo desarrolla diferentes mecanismos fisiológicos y/o comportamentales de respuesta frente a estos patógenos. En algunos procesos, como en el caso de los patógenos transmitidos por insectos vectores, su ciclo de vida engloba varias fases en las que se alternan estadios de desarrollo en diferentes grupos de hospedadores, incluyendo insectos y vertebrados. Por tanto, en este sentido podemos englobar dentro de la definición de patógenos organismos de muy distinta índole, por ejemplo, virus y protozoos, que en conjunto ejercen un importante papel en la regulación del tamaño y en la dinámica de poblaciones de hospedadores, siendo a su vez importantes factores selectivos que pueden determinar la evolución de sus hospedadores. De manera general, la mayoría de estudios desarrollados hasta la fecha, tanto aplicados como teóricos, se han centrado en modelos y sistemas patógeno-hospedador de elevada especificidad. Es decir, patógenos que afectan a una única o a un número muy reducido de especies hospedadoras debido a la mayor simplicidad de estos sistemas, lo que facilita su abordaje empírico y teórico. Sin embargo, muchos sistemas de enfermedades zoonóticas son generalistas, lo que implica la interacción entre varios patógenos, varias especies de hospedadores, y varias especies de vectores. Los conocimientos sobre la dinámica de transmisión de estos patógenos generalistas son mucho más reducidos, donde, por ejemplo aspectos como el impacto que la diversidad de vectores u hospedadores puede tener sobre la amplificación del patógeno apenas han sido explorados. Por esa razón, el estudio de la transmisión de patógenos por vectores en condiciones naturales requiere un enfoque integrador como el propuesto en esta tesis, que combine el estudio de las comunidades de patógenos, vectores y hospedadores y los factores ambientales que determinan su interacción. En las últimas décadas, el número de enfermedades emergentes se ha incrementado considerándose, en parte, como resultado del cambio global debido, entre otros factores, a la alteración del hábitat natural y el cambio climático. Estas variaciones pueden afectar directamente a la ecología de diferentes enfermedades, muchas de ellas causadas por patógenos transmitidos por vectores, alterando las intensidades de las interacciones vector-hospedador, vector-patógeno o patógeno-hospedador. Cabe destacarse que aproximadamente el 75% de las enfermedades infecciosas emergentes que afectan a los seres humanos mantienen un ciclo vital zoonótico, circulando en la naturaleza a través de poblaciones de vertebrados no humanos. En muchos de estos casos, de hecho, los humanos son solo un hospedador accidental en los que la infección se produce muy raramente. Bajo esa perspectiva, las características del hábitat también se presentan como un elemento fundamental afectando la dinámica de transmisión de los patógenos. Estos efectos tienen un origen multifactorial que pasa por los cambios en la abundancia y diversidad de vectores y de potenciales hospedadores. Varios autores han señalado que la biodiversidad, entendida como riqueza de especies (número de especies diferentes en una localidad), podría jugar un papel fundamental en el control de la epidemias reduciendo la circulación de patógenos, generando un gran debate sobre la importancia de la biodiversidad en el funcionamiento de los ecosistemas. Sin embargo, modelos teóricos recientes sugieren que una mayor biodiversidad de hospedadores puede producir tanto un efecto de dilución (disminución del riesgo de transmisión a humanos u otros organismos focales) como un efecto de amplificación (aumentando el riesgo de transmisión) dependiendo de las características de los patógenos, los reservorios y el comportamiento de los vectores. Aspectos tales como la presencia de determinadas especies en particular por un aumento en la riqueza de especies en un medio podría afectar estas asociaciones. De este modo, considerar la biodiversidad como una medida de la abundancia relativa de cada especie en el medio, y no como la presencia de diferentes especies, podría afectar en gran medida a las predicciones realizadas en este contexto. En esta tesis se estudiarán principalmente dos patógenos transmitidos por mosquitos, como modelos de estudio. Los mosquitos son los principales transmisores de importantes patógenos como los de la malaria, fiebre amarilla o dengue, que ocasionan cuantiosas pérdidas humanas y animales con implicaciones económicas a escala global. Estos sistemas de transmisión engloban tres organismos fundamentales, los hospedadores vertebrados (incluyendo fauna silvestre y doméstica y los seres humanos), los mosquitos como organismos vectores y los patógenos. Tradicionalmente, el estudio de las interacciones entre estos organismos se realizaba parcialmente, dos a dos. No obstante, desde un punto de vista ecosistémico, como ocurre en la naturaleza, es esencial no solo estudiar la interacción entre cada uno de los actores, sino también comprender este proceso con una perspectiva general. Bajo dicho enfoque, el principal objetivo de esta tesis es testar el efecto de la biodiversidad sobre la transmisión de dos patógenos transmitidos por mosquitos: el virus West Nile y los parásitos de la malaria aviar. El virus West Nile (WNV) es un arbovirus de la familia Flaviviridae (flavivirus) para el que las aves son su hospedador primario. De manera accidental, este virus puede producir la infección tanto en mamíferos de interés ganadero (p. ej. caballos) como en humanos. El WNV es un virus re-emergente del viejo mundo, donde ha provocado numerosos brotes en Eurasia y África, su área histórica de distribución. En 1999, el virus se extendió a Norteamérica donde provocó una alta mortalidad en aves y afectó a miles de personas. En el caso de España, parte de la población humana que vive cerca de humedales presenta anticuerpos frente al WNV y aunque escasos, a lo largo de los últimos años se han venido registrando casos de encefalitis en estas poblaciones. En 2004 se registró un caso clínico en humanos en Badajoz y en 2010 dos casos clínicos en la provincia de Cádiz. Más recientemente, durante el año 2016 se han citado tres casos más de posible infección por este virus en poblaciones de Andalucía. Se considera que las aves migratorias pueden actuar como vector de dispersión del WNV, no obstante, donde se la dinámica de transmisión del virus se ha venido estudiando más extensivamente, como en el caso de Doñana y su entorno, existen fuertes evidencias de la circulación activa y permanente del virus en el medio. Por otro lado, en esta tesis se ha estudiado los parásitos sanguíneos de la malaria aviar, entendiéndolos en sentido amplio, incluyendo tanto a los parásitos del género Plasmodium, como los géneros filogenéticamente relacionados Haemoproteus y Leucocytozoon. Aunque los principales vectores de cada uno de estos tres géneros de parásitos difiere, siendo Plasmodium los únicos transmitidos por mosquitos, los ciclos de vida de todos ellos son muy similares incluyendo a las aves como hospedadores vertebrados y diferentes grupos de insectos hematófagos en los que los parásitos desarrollan su reproducción sexual. En conjunto, todos estos patógenos representan un sistema modelo perfecto para los estudios de ecología del parasitismo y de transmisión de enfermedades por insectos vectores. Las especies del género Plasmodium que infectan a las aves se comportan como parásitos generalistas, siendo transmitidos por mosquitos de diferentes géneros, entre los que destacan aquellos del género Culex. Precisamente este aspecto de la transmisión de Plasmodium es un área de estudio en reciente expansión gracias al uso de técnicas moleculares que están poniendo de manifiesto interesantes interacciones entre multitud de insectos potenciales vectores y distintos linajes genéticos de Plasmodium. El ciclo vital de este parásito, al igual que ocurre en la transmisión de los arbovirus, requiere de la participación del insecto hematófago vector, el cual tiene que alimentarse de la sangre de un ave infectada. Recientes estudios han señalado que el actual panorama de cambio climático podría estar favoreciendo un incremento en la prevalencia de infección por malaria en aves, especialmente en África y Europa. Los parásitos de la malaria aviar tienen efectos adversos sobre el estado de salud, éxito reproductor y probabilidad de supervivencia de las aves silvestres, pero a diferencia del WNV, causan infecciones crónicas. Esto permite trabajar directamente con la prevalencia del parásito en lugar de tener que recurrir a la detección de anticuerpos como en el caso del WNV. Para cumplir con el objetivo general de esta tesis hemos trabajado en tres diferentes niveles explorando las interacciones entre los patógenos y sus vectores, los patógenos y los hospedadores y finalmente, un análisis general donde se testa la hipótesis del efecto de la diversidad sobre la transmisión de patógenos.
1) En el primer bloque se incluyen 3 capítulos abordando los siguientes objetivos: - identificar el efecto de las alteraciones del hábitat por los seres humanos sobre la comunidad de mosquitos vectores de patógenos, - estudiar la variación temporal y los efectos de las preferencias de alimentación de los mosquitos sobre la amplificación y transmisión de los parásitos de la malaria aviar por mosquitos, - investigar la red de transmisión de los parásitos de la malaria aviar por Culicoides que infectaban a las aves silvestres. Para ello, se caracterizarán las poblaciones de mosquitos de áreas naturales, rurales y urbanas del Sur de España, explorando las interacciones entre factores ambientales tales como el uso del suelo, el nivel de urbanización, de características hidrológicas y de vegetación con las comunidades de mosquitos (medidas en términos de diversidad y riqueza de especies) y cuantificando las poblaciones de las especies más comunes en este área. Las actividades humanas previsiblemente determinan la composición de las comunidades mosquitos y además inciden en el riesgo de que los humanos entren en contacto con los patógenos que transmiten. Los estudios que he desarrollado han permitido caracterizar la dinámica espacial de las distintas especies de mosquitos presentes en Andalucía Occidental comparando las comunidades de mosquitos en 45 localidades de las provincias de Cádiz, Huelva y Sevilla. Se identificaron así las características ambientales que más afectan a la composición y abundancia de la comunidad de mosquitos, entre las que destacarían la superficie urbanizada y natural del entorno, la distancia a fuentes de agua aptas para la cría de los mosquitos o la densidad poblacional (Capítulo 1). Estos resultados evidencian el fuerte impacto de la urbanización del medio sobre la composición y abundancia de mosquitos. Una vez conocidos los factores que determinan la comunidad de insectos vectores, en el segundo y tercer capítulo se estudiará la dinámica de transmisión de los parásitos de la malaria aviar por parte de estos vectores, investigando su variación temporal, su grado de especificidad y el efecto del comportamiento de alimentación utilizando para ello dos modelos de estudio, los mosquitos y los jejenes del género Culicoides. Mediante técnicas moleculares de amplificación y secuenciación de ADN hemos determinado el estado de infección de los mosquitos por Plasmodium e identificado los patrones de alimentación de estos vectores. Hemos encontrado que el comportamiento de alimentación influenció la tasa de infección por parásitos aviares en los mosquitos, presentando aquellas especies ornitofílicas (que preferían alimentarse en aves) valores más altos respeto a los especies más encuentran en los mamíferos su principal fuente de alimento. Al mismo tiempo, la tasa de infección en mosquitos aumentó entre las estaciones del año, alcanzando su máxima prevalencia en otoño. Finalmente, no se identificaron claras diferencias en la prevalencia de cada linaje genético con respecto a las especies de mosquitos, lo que sugiere una baja especificidad en la transmisión de estos patógenos por las diferentes especies de mosquitos presentes en el área (Capítulo 2). Además, se estudió la diversidad de parásitos de la malaria aviar transmitidos por Culicoides y la prevalencia y diversidad de estos parásitos en aves acuáticas del entorno de Doñana con el fin de identificar las potenciales redes de transmisión de estos parásitos. Utilizando una aproximación molecular, se identificaron algunos nodos de la red parásitos-vectores-aves mediante la comparación de linajes de Plasmodium y Haemoproteus aislados en los insectos con aquellos que infectaban a las aves silvestres, incluyendo algunas especies amenazadas. En conjunto, estos tres capítulos suponen un paso fundamental para identificar los factores que determinan la comunidad de vectores y permiten conocer los patógenos y los factores que determinan la interacción con estos vectores en el área. Este paso es esencial para abordar el estudio de las redes de transmisión de estos patógenos en condiciones naturales (Capítulo 3). 2) En el segundo bloque se abordó el estudio de la interacción entre los patógenos y los hospedadores vertebrados, afrontando los siguientes objetivos: - determinar la prevalencia de anticuerpos frente a WNV en aves presentes en áreas próximas a granjas con de interés ganadero. - investigar el impacto de la composición del hábitat y de la comunidad de mosquitos y vertebrados sobre la comunidad de parásitos del genero Plasmodium. Para ello, primero se caracterizó la prevalencia de anticuerpos de WNV en diferentes poblaciones de aves silvestres, mayoritariamente paseriformes, de Andalucía Occidental. Durante el año 2013, se constató la circulación local del WNV en aves en lugares próximos a zonas con brotes declarados en caballos. Anticuerpos contra el WNV fueron confirmados en un ejemplar juvenil de curruca cabecinegra (Sylvia melanocephala) residente, suponiendo el primer apoyo a la transmisión local del WNV en el sur de España durante 2013 (Capítulo 4). Cabe destacar la metodología empleada en este estudio, donde las muestras fueron primero testadas utilizando un kit ELISA específico para flavivirus en aves y posteriormente confirmadas por pruebas de neutralización utilizando formas víricas de frente a los virus WNV y USUTU. Seguidamente se estudió como las características del hábitat y de las comunidades de vectores y vertebrados (aves y mamíferos), representan un factor clave para determinar la prevalencia y diversidad de parásitos de la malaria aviar en las aves silvestres. La dinámica de transmisión de los parásitos de la malaria aviar del género Plasmodium, puede verse afectada por la estructura y composición de la comunidad de vectores (distribución, abundancia y diversidad de especies de mosquitos), de la comunidad de vertebrados (por la disponibilidad de hospedadores susceptibles a la infección) y por las características ambientales, probablemente debido a su impacto sobre la biología de vectores y vertebrados (p.ej. uso del suelo). Estos resultados contribuyen a la comprensión de la variación geográfica observada en los linajes de Plasmodium y la dinámica de transmisión de patógenos transmitidos por mosquitos en el medio silvestre. Elegimos al gorrión común como organismo modelo de este estudio porque es una especie generalista que se puede muestrear en localidades con distinto grado de perturbación antrópica permitiendo la comparaciones entre diferentes tipos de hábitat (ver capítulo 1), además de ser un hospedador competente para la transmisión de los parásitos de la malaria aviar y WNV (ver capítulos sucesivos). Basándonos en información previa, el estudio se centró en las especies de mosquitos del género Culex, debido a su abundancia e implicación en la transmisión de Plasmodium (de acuerdo a capítulo 2). En particular, se identificó como la prevalencia, diversidad y riqueza de los linajes de Plasmodium se veían afectados por i) la comunidad de mosquitos; ii) las comunidades de aves y mamíferos; iii) las características ambientales, siendo la distancia a diferentes fuentes de agua, entre otras, variables ambientales las que pudieran afectar en mayor medida en la dinámica de transmisión de estos parásitos. Se identificó como factores ligados a la comunidad de hospedadores fueron más relevantes para identificar los patrones de variación de la riqueza de parásitos en las diferentes localidades, mientras que aspectos ligados a la comunidad de vectores fueron más determinantes para explicar la prevalencia de parásitos en las aves (Capítulo 5). En conjunto, estos estudios permitieron identificar la prevalencia y diversidad de patógenos transmitidos por vectores que infectan a las aves silvestres e identificar aquellos factores que determinan su dinámica de transmisión. 3) En el tercer bloque se pretende determinar los efectos potenciales de la biodiversidad en general, o la presencia de algunas especies de vector y/o hospedador, sobre la dinámica de transmisión de patógenos aviares, englobando los siguientes objetivos: - estudiar la importancia de las poblaciones de diferentes especies de mosquitos sobre la transmisión de WNV a las aves silvestres. - determinar el papel de la diversidad de la comunidad de mosquitos y vertebrados sobre la amplificación de patógenos transmitidos por vectores. Para ello, se estudió la de la composición de las comunidades de mosquitos (riqueza y abundancia de las especies más comunes) sobre la dinámica de transmisión del WNV en poblaciones de aves silvestres, utilizando el gorrión común como modelo de estudio. Se observaron asociaciones entre las abundancias de diferentes especies de mosquitos y la seroprevalencia del WNV en las aves (medida de acuerdo al Capítulo 4), aunque el sentido de estas asociaciones difirió en función de su patrón de alimentación de los mosquitos y su riesgo relativo de transmisión de este patógeno. De acuerdo a lo esperado según estudios previos, se observó que la abundancia de Culex perexiguus mostró una asociación significativa y positiva con la prevalencia de WNV en las diferentes poblaciones de aves (Capítulo 6). El hecho de que las aves con anticuerpos frente a WNV se encontraron en áreas naturales y rurales (con baja densidad de población humana) podría explicar la baja incidencia de WNV en los seres humanos en el área de estudio, a pesar de la circulación local del virus. Además, hemos proporcionado pruebas de la importancia de la vigilancia de mosquitos para comprender los ciclos naturales de WNV y otros flavivirus en la naturaleza, confirmado el papel crucial de la especie Culex perexiguus en la circulación del WNV en el Sur de España. Finalmente, integrando los conocimientos adquiridos en los capítulos anteriores sobre la ecología de las interacciones de patógenos transmitidos por vectores y sus interacciones con la comunidad de mosquitos y de vertebrados, se testó la hipótesis del efecto dilución en nuestro sistema compuesto por 4 patógenos aviares transmitidos por diferentes vectores (Capítulo 7). Esto permitió determinar los efectos potenciales de la biodiversidad en general, y de la presencia de distintas especies en particular, sobre la amplificación de estos patógenos y su transmisión a humanos u otras especies de interés ganadero. Para ello, se utilizó el gorrión común como modelo de hospedador vertebrado y datos de censos de las comunidad de aves y mamíferos ya empleados en capítulos anteriores. Se encontró que no existe una relación significativa en término general que nos permita asumir que la biodiversidad tenga un efecto dilución sobre la transmisión del WNV y de los parásitos de los géneros Plasmodium, Haemoproteus y Leucocytozoon, no encontrando apoyando para la universalidad de este fenómeno. No obstante, las complejas relaciones entre la biodiversidad y la epidemiología de los patógenos transmitidos por vectores pueden estar impulsadas por otros factores, incluyendo la presencia de ciertas especies en particular de hospedadores y/o de vectores en el ecosistema. Por eso, estudios de este tipo son fundamentales para comprender mejor la importancia de la biodiversidad de las comunidades de vectores y vertebrados sobre el riesgo de transmisión de patógenos y desarrollar estrategias de gestión (es decir, planes de control de plagas de mosquitos o de vacunas de aves en las ciudades más afectadas) para reducir su riesgo de transmisión y amplificación. En conjunto, en esta tesis se une el estudio de la biodiversidad de las comunidades de vertebrados (hospedadores) y la ecología de los vectores (mosquitos), para intentar comprender la heterogeneidad de las dinámicas espaciales en la distribución de los patógenos WNV y Plasmodium, así como el riesgo de exposición de los distintos grupos de vertebrados en hábitats naturales y antropizados. He investigado la dinámica de transmisión de estos patógenos con un enfoque integrativo, partiendo de la descripción de los factores que afectan la comunidad de vectores y su interacción con diferentes grupos de patógenos, para continuar abordando el estudio de los factores bióticos y abióticos que determinan la infección de las aves silvestres y finalmente identificar como la biodiversidad en general determina la exposición y éxito de transmisión a las aves de los patógenos que circulan naturalmente en el área. Esta tesis supone un paso fundamental para comprender una de las preguntas más importantes actualmente en estudios de ecología y evolución de transmisión de patógenos por vectores y se beneficia de un enfoque multidisciplinar que engloba herramientas de estudio de disciplinas tan dispares como la ecología, la parasitología, la ornitología y la entomología. A modo informativo sobre el estado de las publicaciones que formarán parte de esta tesis, los primeros 4 Capítulos han sido publicados en revistas incluidas en el Journal of Citation Reports (Scientific Reports, PloS ONE, Parasites & Vectors y Epidemiology and Infection) donde soy primera autora de todos ellos (compartiendo primera autoría en uno). Además, el Capítulo 5, del que soy primera autora, se encuentra bajo revisión en la revista Journal of Animal Ecology. Finalmente, los manuscritos correspondientes a los Capítulos 6 y 7, en la que soy primera autora en uno de ellos y segunda (compartiendo primera autoría) en el otro, se encuentran pendientes de ser enviados para su publicación.
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Programa de Doctorado en Estudios Medioambientales
Tutor: Francisco Eduardo Narbona Fernández
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