Characterization of the microbiome of human-relevant ticks and optimization of diagnostics of tick-associated pathogens

Titelangaben

Ernst, Angeline:
Characterization of the microbiome of human-relevant ticks and optimization of diagnostics of tick-associated pathogens.
Bayreuth , 2026 . - XVI,122 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Ixodes ricinus, the most common tick species in Germany, carries a diverse microbiome. The microbiome comprises a diverse microbial community, including bacteria, archaea, eukaryotes, and viruses. During the act of sucking on the human host, depending on the duration, potential or already proven tick-associated pathogens (TBPs) can be transmitted in addition to innocuous microorganisms. Thus, ticks pose a major health threat to humans. Thus, a better understanding of the composition of the tick microbiome and their interaction patterns and how biotic and abiotic environmental factors influence them is of enormous importance as it may affect the analytical outcome of TBPs. The newly gained knowledge should thus optimize the diagnosis of TBPs, allowing a better assessment of the risk of a potential disease. In this work, the bacterial microbiome of 1022 ticks was investigated. Lyme borreliosis (LB) is caused by human pathogenic species of the Borrelia burgdorferi sensu lato (s. l.) complex (Bb). Therefore, the bacterial composition of the microbiome in Bb-positive (n = 82) and Bb-negative (n = 118) tick microbiomes was compared using 16S rRNA gene amplicon sequencing. Here, I investigated whether Borrelia spp. only occurs in a specific tick microbiome composition and whether the interaction patterns with other bacteria were affected. In addition, the influence of location on the composition of the tick microbiome was investigated for the two German locations Weiden in der Oberpfalz (Bavaria) and Esslingen (Baden-Württemberg). The presence of Borrelia altered the abundance of Candidatus Midichloria, Rickettsia, Pseudomonas, Staphylococcus, and Neoehrlichia and their topological roles in the tick microbiome. However, the location was less important for the composition of the tick microbiome but significantly shifted the abundance of Pseudomonas (p = 2.07 x 10-2) and Wolbachia (p = 1.01 x 10-3) and the topological role of bacterial members in microbial network analyses. Since the relative abundances of potentially human pathogenic members of the order Rickettsiales differed between Bb-positive and Bb-negative members, the co-occurrence of Bb and members of the order Rickettsiales (Rickettsia spp., Anaplasma phagocytophilum, Wolbachia pipientis, and/or Neoehrlichia mikurensis) in the tick microbiome (n = 760) was further investigated. In addition, other factors, such as the location of the tick and the season in which the tick was collected, were added. While the occurrence of Rickettsia spp. (16.7%, n = 127) and W. pipientis (15.9%, n = 121) was similar, A. phagocytophilum was found in only 2.8% (n = 21), and N. mikurensis in only 0.1% (n = 1) of all ticks. Bb was most common when co-occurring with Rickettsia spp. or W. pipientis, and the combination of all three species was also found. The results of gltA gene sequencing, which encodes citrate synthase and is suitable for species differentiation of Rickettsia spp. indicated that Rickettsia helvetica dominated the tick microbiomes. In addition, Rickettsia monacensis and Rickettsia raoultii correlated with autumn and southern location, respectively, and a negative Bb finding. Moreover, using Fisher's exact test, Rickettsia aeschlimannii correlated with a Bb-positive microbiome. To determine the influence of the tick surface microbiome on the analytical result, decontamination of the tick surface (n = 62) was performed. Subsequent 16S rRNA gene amplicon sequencing demonstrated that ticks treated with 5% sodium hypochlorite had the lowest number of artificially added contaminants, followed by DNA Away, Reactive Skin Decontamination Lotion (RSDL), and 70% ethanol. In addition, the microbiomes of the ticks after decontamination with 5% sodium hypochlorite were comparable to those of the negative controls, which is why the efficiency of decontamination with 5% sodium hypochlorite was optimal. The data basis of a combined diagnostic approach of qPCR and amplicon sequencing will allow valid decisions for adequate treatment of human pathogenic Bb species and other coincident pathogens, as they were site-specific. However, data such as species, sex, or stage of the tick should also be included in this process. Such data will allow the establishment of exclusion criteria for (potential) TBPs, which will subsequently facilitate the evaluation of critical test results with a very high probability. Furthermore, future testing should be performed with prior decontamination to prevent artificial bias of the microbial communities in a tick.

Abstract in weiterer Sprache

Ixodes ricinus, die in Deutschland am häufigsten vorkommende Zeckenart, trägt ein vielfältiges Mikrobiom in sich. Das Mikrobiom umfasst eine vielfältige mikrobielle Gemeinschaft, darunter Bakterien, Archaeen, Eukaryoten und Viren zusammen. Während des Saugakts am menschlichen Wirt können je nach Dauer, neben ungefährlichen Mikroorganismen, auch potentielle oder bereits erwiesene zeckenassoziierte Krankheitserreger (TBPs) übertragen werden. Somit stellen Zecken eine große gesundheitliche Bedrohung für den Menschen dar. Ein besseres Verständnis der Zusammensetzung des Zeckenmikrobioms und deren Interaktionsmuster, sowie deren Beeinflussung durch biotischen und abiotische Umweltfaktoren ist somit von enormer Wichtigkeit, da es das Analyseergebnis von TBPs beeinflussen kann. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollten daher die Diagnose von TBPs optimieren und eine bessere Einschätzung des Risikos einer möglichen Erkrankung zulassen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das bakterielle Mikrobiom von insgesamt 1022 Zecken untersucht. Die Lyme-Borreliose wird durch humanpathogene Spezies des Borrelia burgdorferi sensu lato (s. l.) Komplexes (Bb) verursacht. Deswegen wurde die bakterielle Zusammensetzung des Mikrobioms bei Bb-positiven (n = 82) und Bb-negativen (n = 118) Zeckenmikrobiomen mittels 16S rRNA Gen Amplikonsequenzierung verglichen. Hierbei wurde untersucht, ob Borrelien nur in einer bestimmten Zusammensetzung des Zeckenmikrobioms vorkommen und ob die Interaktionsmuster mit anderen Bakterien davon betroffen sind. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Standorts auf die Zusammensetzung des Zeckenmikrobioms für die zwei deutsche Standorte Weiden in der Oberpfalz (Bayern) und Esslingen (Baden-Württemberg) untersucht. Die Anwesenheit von Borrelia veränderte die Häufigkeit von Candidatus Midichloria, Rickettsia, Pseudomonas, Staphylococcus und Neoehrlichia sowie deren topologische Rolle im Zeckenmikrobiom. Der Standort war jedoch weniger wichtig für die Zusammensetzung des Zeckenmikrobioms, verschob jedoch die Häufigkeit von Pseudomonas (p = 2.07 x 10-2) und Wolbachia (p = 1.01 x 10-3) sowie die topologische Rolle der bakteriellen Mitglieder in mikrobiellen Netzwerkanalysen erheblich. Da sich die relativen Häufigkeiten von potenziell humanpathogenen Vertretern der Ordnung Rickettsiales zwischen Bb-positiven und Bb-negativen unterschied, wurde im weiteren Verlauf der Arbeit das gemeinsame Vorkommen von Bb und Mitgliedern der Ordnung Rickettsiales (Rickettsia spp., Anaplasma phagocytophilum, Wolbachia pipientis und/oder Neoehrlichia mikurensis) im Zeckenmikrobiom (n = 760) untersucht. Zusätzlich wurden weitere Faktoren, wie Standort der Zecke und Jahreszeit, in welcher die Zecke gesammelt wurde, berücksichtigt. Während das Vorkommen von Rickettsia spp. (16.7 %, n = 127) und W. pipientis (15.9 %, n = 121) ähnlich war, wurde A. phagocytophilum in nur 2.8 % (n = 21) und N. mikurensis in nur 0.1 % (n = 1) aller Zecken gefunden. Beim gemeinsamen Auftreten war Bb mit Rickettsia spp. oder W. pipientis am häufigsten, und auch die Kombination aller drei Arten wurde gefunden. Die Ergebnisse der gltA-Gen-Sequenzierung, welches für die Citrat-Synthase kodiert und sich zur Speziendifferenzierung von Rickettsia spp. eignet, zeigten, dass die Zecken von Rickettsia helvetica dominiert wurden. Außerdem korrelierte das Vorhandensein von Rickettsia monacensis und Rickettsia raoultii mit dem Herbst bzw. dem südlichen Gebiet und einem negativen Bb-Befund. Darüber hinaus korrelierte das Vorhandensein von R. aeschlimannii mit einem Bb-positiven Mikrobiom mittels exaktem Fisher-Test. Um den Einfluss des Oberflächenmikrobioms der Zecke auf das Analyseergebnis zu bestimmen wurde eine Dekontamination der Zeckenoberfläche (n = 62) durchgeführt. Durch eine anschließende 16S rRNA Gen Amplikonsequenzierung wurde nachgewiesen, dass Zecken, die mit 5% Natriumhypochlorit behandelt wurden, die geringste Anzahl von künstlich hinzugefügten Kontaminanten aufwies, gefolgt von DNA Away, Reactive Skin Decontamination Lotion (RSDL) und 70% Ethanol. Außerdem waren die Mikrobiome der Zecken nach der Dekontamination mit 5% Natriumhypochlorit mit denen der Negativkontrollen vergleichbar, weswegen die Effizienz der Dekontamination mit 5% Natriumhypochlorit optimal war. Die Datengrundlage eines kombinierten diagnostischen Ansatzes aus qPCR und Amplikonsequenzierung wird valide Entscheidungen für eine adäquate Behandlung humanpathogener Bb-Spezies und weiterer koinzidenter Erreger ermöglichen, da sie standortspezifisch waren. Allerdings sollte hierbei auch Daten wie Spezies, Geschlecht oder Stadium der Zecke hinzugezogen werden, da so Ausschlusskriterien für (potenzielle) TBPs erstellt werden können, was anschließend die Auswertung kritischer Testergebnisse mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit vereinfacht. Des Weiteren sollten zukünftige Untersuchung mit vorheriger Dekontamination durchgeführt werden, um einer künstlichernVerzerrung der mikrobiellen Gemeinschaften in der Zecke vorzubeugen.