Von der Infektionsquelle zum technologischen Pionier: Können Wissenschaftler Mücken wirklich in „Anti-Malaria-Helfer“ verwandeln?

Mücken gelten seit jeher als eines der lästigsten Insekten der Menschheitsgeschichte. Ihre Bisse verursachen nicht nur lästigen Juckreiz, sondern sind – was noch schlimmer ist – die Hauptüberträger zahlreicher tödlicher Krankheiten. Bis heute wurden weltweit mehr als 300 durch Mücken übertragene Viren entdeckt, darunter Malaria, Gelbfieber, Denguefieber und das Zika-Virus. Diese Krankheiten stellen eine enorme Bedrohung für die öffentliche Gesundheit weltweit dar und führen dazu, dass die Menschen panische Angst vor Mücken haben. Zählt man die Todesfälle durch die von ihnen übertragenen Krankheiten hinzu, sind Mücken zweifellos die tödlichsten Tiere der Welt.

Doch Wissenschaftlern der Universität Leiden in den Niederlanden ist vor Kurzem ein Durchbruch gelungen: Durch die innovative genetische Veränderung von Malariaparasiten können Mücken die veränderten Malariaparasiten übertragen und so Menschen impfen. Der Erfolg dieser Technologie könnte Mücken vom widerlichen „Staatsfeind der Menschheit“ in einen „Anti-Malaria-Assistenten“ verwandeln, der die Gesundheit schützt. Was ist los? Lassen Sie uns weiter unten darüber sprechen.

Können Mücken Menschen „impfen“?

Malaria ist eine durch Plasmodium verursachte Infektionskrankheit, die hauptsächlich durch den Stich infizierter Anopheles-Mücken auf den Menschen übertragen wird. Malaria kommt vor allem in tropischen und subtropischen Regionen vor, insbesondere in Afrika und Südostasien, wo die Inzidenzrate hoch ist. Obwohl es zwei zugelassene Malariaimpfstoffe gibt, erkranken jedes Jahr noch immer etwa 250 Millionen Menschen an Malaria und weltweit sterben etwa 600.000 Menschen daran. Damit stellt Malaria eine der größten Herausforderungen für die globale öffentliche Gesundheit dar.

Die Artemisinin-Kombinationstherapie, bei der Artemisinin mit anderen Malariamedikamenten kombiniert wird, ist die empfohlene Behandlung bei bösartiger und schwerer Malaria. Im Jahr 2015 erhielt der chinesische Wissenschaftler Tu Youyou den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung von Artemisinin. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

Wie gelangen Malariaparasiten durch Mücken in den menschlichen Körper? Wenn eine gewöhnliche weibliche Anopheles-Mücke, die den Malariaparasiten in sich trägt, einen Menschen sticht, gelangen die Larven des Malariaparasiten über den Speichel der Mücke in das menschliche Blut. Nach einer Reifungszeit von 7 bis 14 Tagen im menschlichen Körper dringt der Malariaparasit in die roten Blutkörperchen ein und vermehrt sich rasch, was zum Platzen der roten Blutkörperchen führt. Wenn rote Blutkörperchen platzen, wird eine neue Generation von Malariaparasiten ins Blut freigesetzt, die weitere rote Blutkörperchen infizieren und so einen Teufelskreis schaffen, der sogar zum Tod führen kann.

Im Gegensatz dazu stoppt die gentechnisch veränderte „verbesserte Version von Plasmodium“ GA2 die weitere Entwicklung etwa 6 Tage nach der Infektion des menschlichen Körpers. Es führt weder zum Platzen der roten Blutkörperchen noch zur Entstehung von Malaria beim Impfempfänger, es kann jedoch wirksam eine Immunreaktion auslösen und dadurch eine ähnliche Schutzwirkung wie ein Impfstoff entfalten.

Um zu testen, ob der Kontakt mit dem Parasiten beim Menschen zur Entwicklung einer Immunität gegen Malaria beitragen könnte, führten die Forscher eine kleine klinische Studie durch. Im Experiment wurden die Teilnehmer der Versuchsgruppe zunächst von Mücken gestochen, die die „modifizierte Version von Plasmodium“ GA2 in sich trugen, und drei Wochen später wurden sie Mücken ausgesetzt, die gewöhnliches Plasmodium in sich trugen. Die Ergebnisse zeigten, dass 89 % der von GA2-Mücken gestochenen Teilnehmer nach dem Kontakt mit Mücken, die Malariaparasiten in sich trugen, nicht an der Krankheit erkrankten. Die Schutzrate war höher als bei den beiden derzeit zugelassenen Malariaimpfstoffen (Schutzrate ca. 75 %) und höher als bei dem modifizierten Malariaparasiten GA1, dessen Entwicklung 24 Stunden nach der Infektion des menschlichen Körpers aufhörte (ca. 13 %).

Obwohl die vorläufigen Ergebnisse ermutigend sind, ist der derzeitige klinische Versuchsumfang auf 20 Personen begrenzt, bevor das Produkt breit eingesetzt werden kann. Daher müssen die Sicherheit und Wirksamkeit des Mückenimpfstoffs noch weiter überprüft werden und es ist noch ein langer Weg, bis er flächendeckend eingesetzt werden kann.

Mücken mit Mücken bekämpfen?

Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler Maßnahmen gegen Mücken ergreifen, um von Mücken übertragene Infektionskrankheiten zu verhindern und einzudämmen.

Bereits im Jahr 2010 injizierte das Team um Professor Xi Zhiyong vom Gemeinsamen Forschungszentrum für tropische Vektorkontrolle der Sun Yat-sen-Universität und der Michigan State University ein modifiziertes endosymbiotisches Bakterium, Wolbachia, in Aedes-Mücken und blockierte damit erfolgreich die Fähigkeit der Mücke, das Dengue-Virus zu verbreiten.

Denguefieber ist eine von Aedes-Mücken übertragene Krankheit. Nach einer Infektion mit dem Dengue-Virus können bei Patienten Symptome wie hohes Fieber, Kopf- und Gelenkschmerzen auftreten. In schweren Fällen kann es zu hämorrhagischem Fieber oder einem Schocksyndrom kommen, das lebensbedrohlich ist. Es gibt noch immer kein spezifisches antivirales Medikament, mit dem sich Denguefieber direkt behandeln lässt.

Studien haben ergeben, dass Wolbachia nach der Injektion die Replikation und Übertragung des Dengue-Virus im Hauptüberträger des Dengue-Fiebers, der Aedes aegypti-Mücke, hemmen und so die Übertragung des Virus verhindern kann. Darüber hinaus können die Immuneigenschaften von Wolbachia an die Nachkommen der Mücke weitergegeben werden, wodurch das Risiko einer Verbreitung des Denguefiebers durch Mücken weiter verringert wird. Später weitete das Team um Professor Xi Zhiyong diese Methode auf die Prävention und Behandlung von Krankheiten wie Malaria und dem Zika-Virus aus und entwickelte neue Ideen für die Immunregulierung von Mücken.

Feldstandorte, Freisetzungsplan und Larvenunterdrückung durch Freisetzung männlicher HC-Männchen. Quelle: Referenz [6]

Im Jahr 2016 begann das Team von Professor Xi mit der Genehmigung des Landwirtschaftsministeriums, „sterilisierte männliche Mücken“, die mit dreifacher Wolbachia-Impfung geimpft worden waren, in großem Umfang in Wohngebieten auf zwei isolierten Flussinseln in Guangzhou freizulassen. Diese „sterilisierten männlichen Mücken“ sind nach der Paarung mit weiblichen Mücken in der freien Natur nicht in der Lage, Eier zu legen, was zur Folge hat, dass sich die Population nicht fortpflanzen kann.

Durch die Aufrechterhaltung des dominanten Verhältnisses über einen bestimmten Zeitraum wird die Mückenpopulation in der freien Natur schließlich unterdrückt, wodurch krankheitsübertragende Mückenarten kontrolliert oder sogar ausgerottet werden. Über einen Zeitraum von zwei Jahren setzte das Team Millionen sterilisierter männlicher Mücken frei und konnte so die wilden Populationen der Aedes albopictus in den beiden Wohngebieten erfolgreich ausrotten. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wurde der Umfang der Veröffentlichung schrittweise auf viele Städte in Guangdong ausgeweitet.

Forscher setzen „sterilisierte männliche Mücken“ frei. Quelle: Guangzhou Daily

Mücken als Lehrer nehmen?

Neben der Vorbeugung und Bekämpfung von Infektionskrankheiten haben sich Wissenschaftler auch viel von Mücken als Inspiration für bionische Technologien geholt.

Sie fragen sich vielleicht, warum das Blutsaugen durch Mücken nahezu schmerzlos ist, eine Injektion jedoch so schmerzhaft ist? Dies liegt daran, dass die Mundwerkzeuge einer Mücke im Durchschnitt nur 1,5 mm lang sind und einen Durchmesser von weniger als 0,1 mm haben, also so dünn sind, dass sie kaum wahrnehmbar sind. Der Durchmesser einer herkömmlichen Spritzennadel beträgt üblicherweise zwischen 0,45 und 0,7 mm und ist damit mindestens viermal dicker als die Mundwerkzeuge einer Mücke.

Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Mundwerkzeuge einer Mücke, die Elemente des Oberkiefers und des Labrums zeigt. Quelle: Referenz [4]

Wie können so winzige Mundwerkzeuge unsere Haut so leicht durchbohren? Durch mikroskopische Beobachtung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Mundwerkzeuge der Mücke aus mehreren Teilen bestehen, darunter Oberlippe, Unterlippe, Zunge, Oberkiefer und Unterkiefer. Wenn eine Mücke Blut saugt, greift sie zuerst den Oberkiefer an, der wie eine spitze Nadel in die Haut eindringt. Der Unterkiefer weist Zacken auf, die wiederholt in die Haut einschneiden, damit die Mundwerkzeuge tiefer eindringen können. Auf der Suche nach geeigneten Kapillaren stechen und schneiden die Mücken mit ihren Ober- und Unterkiefern 10 bis 15 Mal pro Sekunde. Wenn die Mücke ein geeignetes Blutgefäß findet, beginnt sie mit der Zunge, Speichel zu injizieren, um die Blutgerinnung zu verhindern und die Haut zu betäuben und so den Schmerz zu lindern. Schließlich ist die Oberlippe für den Eintritt in die Blutgefäße verantwortlich und beginnt mit der Blutaufnahme.

Inspiriert von den Mundwerkzeugen von Mücken haben Wissenschaftler der Temple University in den USA eine bionische chirurgische Nadel entwickelt. Durch Tests mit Polyvinylchlorid-Gel stellten sie fest, dass die speziell strukturierten Nadeln wirksamer waren als herkömmliche Nadeln. Im Vergleich zu herkömmlichen Nadeln verringerten die gezackten Nadeln den Widerstand beim Eindringen in das Gel um etwa 60 %, während sie den Bereich der Gewebedeformation um etwa 36 % verringerten. Wenn wir die Vibration der Mundwerkzeuge der Mücke nachahmen, kann der Reibungswiderstand noch einmal um etwa 10 % reduziert werden.

3D-gedruckte, von Mücken inspirierte Nadel. Bildquelle: Referenz [4]

Darüber hinaus entwickelte ein Forschungsteam des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 2023 eine bionische, flexible neuronale Sonde, die von der Struktur der Mundwerkzeuge von Mücken inspiriert war. Die Sonde kann die Dura Mater durchdringen, um eine minimalinvasive Implantation in mehreren Gehirnregionen zu erreichen, und kann während des Implantationsprozesses das Vorhandensein intrakranieller Blutgefäße erkennen, um frühzeitig vor Schäden zu warnen. Dies verdeutlicht einmal mehr die breiten Anwendungsaussichten des bionischen Designs im Bereich medizinischer Geräte.

Von biologischen Kontrollstrategien mit gentechnisch veränderten Plasmodium- und Wolbachia-Spezies bis hin zur Anwendung bionischer Technologien haben Wissenschaftler innovative Mittel eingesetzt, um nicht nur die Fähigkeit der Mücken zur Verbreitung von Krankheiten wirksam einzudämmen, sondern auch viele wertvolle Inspirationen aus den biologischen Mechanismen der Mücken zu ziehen und so den Fortschritt in der Medizin und der Ingenieurstechnologie zu fördern. In Zukunft könnten Mücken eine wichtige „Brücke“ zur Förderung der öffentlichen Gesundheit sowie wissenschaftlicher und technologischer Innovationen werden.

Verweise

[1] Yin Qikai, Fu Shihong, Wang Huanyu, Liang Guodong. Aktueller Stand und Aussichten im Hinblick auf durch Mücken übertragene Arboviren und durch Mücken übertragene Arboviruserkrankungen in meinem Land. Chinesisches Journal für Tropenmedizin. 2024, 24(4): 478-485 https://doi.org/10.13604/j.cnki.46-1064/r.2024.04.21

[2]LamersOAC, Franke-FayardBMD, KoopmanJPR, et al.Sicherheit und Wirksamkeit der Immunisierung mit einem abgeschwächten Malariaparasiten im späten Leberstadium[J].NewEnglandJournalofMedicine,2024,391(20):1913-1923.

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[4]GiddeSTR, IslamS, KimA, et al. Experimentelle Studie einer von Mücken inspirierten Nadel zur Minimierung der Einführkraft und Gewebedeformation[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartH:JournalofEngineeringinMedicine,2023,237(1):113-123.

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[6] Zheng

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[8]BianG,JoshiD,DongY,etal.Wolbachia dringt in Anophelesstephensi-Populationen ein und macht sie resistent gegen Plasmodium-Infektionen[J].Science,2013,340(6133):748-751.

Planung und Produktion

Autor: Denovo-Team

Gutachter: Wang Duoquan, Forscher, Institut für die Kontrolle und Prävention parasitärer Krankheiten (Nationales Zentrum für Tropenkrankheitsforschung), Chinesisches Zentrum für Krankheitskontrolle und -prävention

Meng Fengxia, Forscherin am Institut für Infektionskrankheiten, Chinesisches Zentrum für Krankheitskontrolle und -prävention