综述：蚊虫传播疾病的的行为决定因素

《Current Opinion in Insect Science》：Behavioral Determinants of Disease Transmission by Mosquitoes

　　

雌蚊的血液取食行为启动了其生殖周期，通过提供必需的营养物质和化学信号促进卵子发育。几天后，雌蚊产卵并开始寻找新的宿主，循环往复，从而增加与人类的接触。在血液取食过程中，蚊子可以获取并传播血源性病原体。全球约一半人口生活在蚊媒疾病风险地区。尽管存在数千种蚊种，但仅有少数亚群导致了大多数蚊媒疾病及其对人类健康的破坏性影响。人类病原体的主要媒介包括传播疟原虫的按蚊属（Anopheles）和传播寨卡病毒、登革热及基孔肯雅热等虫媒病毒的伊蚊属（Aedes）。本综述重点研究两种关键物种：黄热病蚊埃及伊蚊（Aedes aegypti）和非洲疟蚊冈比亚按蚊（Anopheles gambiae），两者均表现出强烈的气味引导的人类宿主偏好，且是研究最深入的蚊种之一，为其宿主搜寻和繁殖行为提供了机制性理解。这些专门叮咬人类的物种展现出生理和感官适应，使其能高效锁定人类宿主，这是其传播病原体并构成公共卫生威胁的基础。在此，研究人员回顾了病媒蚊子的神经生物学，重点关注雌蚊的生殖驱力如何塑造其行为并促成病原体传播和种群增长。研究人员还强调了近期在理解这些行为方面的进展，并讨论了这些见解如何为优化的蚊虫控制策略提供依据。

血液作为母性需求

摄入血液（hematophagy）是一种存在于多种生物（包括蚊子、蜱虫、水蛭和蝙蝠）中的摄食策略。我们对吸血现象的基础理解很大程度上可追溯至文森特·威格尔斯沃思爵士对猎蝽（Rhodnius prolixus）的开创性研究，他表明血液取食除了提供营养外，还会触发控制蜕皮和繁殖的激素级联反应。他的工作确立了血液取食作为一种行为和生理触发器，这一框架至今仍影响着我们对吸血昆虫的研究。虽然专性吸血动物（如猎蝽）完全依赖血液进行发育和生存，但蚊子并非专性吸血者，且只有成年雌蚊才消耗血餐。雄蚊和雌蚊都取食花蜜以满足代谢需求，但雌蚊需要血液作为蛋白质和必需营养素的来源以进行卵子发育。鉴于血液在繁殖中的核心作用，雌蚊进化出了性别二态性的感官和摄食结构，专门用于检测、分选和消耗血液。雌蚊的口针适应于检测血液特异性味觉物质，如三磷酸腺苷（ATP）和氯化钠，将摄入的血液导向用于消化的中肠，而非用于储存花蜜的嗉囊。这些感官线索促进了成功的饱血，在此过程中，雌蚊可在数分钟内使体重翻倍。血餐会触发一系列支持和促进卵子发育的生理和行为变化。在取食后的几天里，血液营养成分被处理并用于卵黄蛋白合成和卵巢成熟。协调这些营养物质的合成和分配需要整合物理和化学信号，涉及肠道、脂肪体和神经系统之间的串扰。雌性伊蚊（Aedes）和按蚊（Anopheles）主要是单次交配型：一次交配事件即可确立父权并提供足以维持终生的精子，因此血液取食成为繁殖的节拍器。一次血餐通常可产生约100枚卵，尽管此数字因物种和血餐来源而异。反复的血液取食循环不仅维持了蚊虫种群的增长，也增加了血源性病原体传播的机会。作为一种生殖必需品，母性对血液的驱力塑造了蚊子的行为和叮咬策略，构成了其对人类健康影响的基础。

叮咬策略与人类专化

在吸血昆虫中，伊蚊（Aedes）和按蚊（Anopheles）在定位和叮咬人类方面表现出显著的专业化程度。近期的研究确定了直接支撑其有效锁定人类的感官策略和神经生物学机制。尽管偏好人类的物种构成重大公共卫生威胁，但其他蚊子的偶然叮咬也可能导致病原体传播：主要叮咬鸟类的库蚊（Culex）可将西尼罗河病毒从鸟类传播给人类。蚊子对人类的吸引力依赖于多种感官线索的整合。一些线索，如视觉对比和二氧化碳（CO₂），在不同脊椎动物宿主间广泛共享，而其他线索，尤其是气味图谱，则更具宿主特异性并有助于形成偏好。此外，宿主的感官线索根据其物理和化学性质，在空间范围上有所不同。CO₂作为一种长距离线索，能激活蚊子的飞行并启动后续对体温和皮肤气味的感官整合。埃及伊蚊（Aedes aegypti）中的味觉受体家族如Gr1、Gr2和Gr3，以及它们在冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）中的直系同源物AgGr22、AgGr23和AgGr24，在下颚须中表达，作为潜在的CO₂传感器。在埃及伊蚊中的基因敲除研究表明，CO₂检测依赖于Gr3，并且对Gr3神经元的光遗传学激活会引发持续的捕食状态。虽然单独的视觉对比不会特异性地驱动叮咬，但当与来自CO₂的行为激活相结合时，它在促进宿主搜寻中发挥着重要作用。传统上被认为是近距离宿主线索的红外辐射（IR），最近被发现是一种中距离线索，能从0.8米外吸引蚊子。热红外感知涉及温度敏感通道，包括TrpA1，以及在触角尖端表达的视蛋白（op1, op2）。湿度梯度具有双重作用：它们既引导雌蚊前往产卵地点，也作为短距离宿主线索，因为人类皮肤会产生局部升高的湿度梯度。湿度感知需要蚊子触角中的离子型受体Ir93a，破坏该受体会损害冈比亚按蚊和埃及伊蚊的血液取食。对埃及伊蚊的进一步功能分析揭示了蚊子触角内不同的Ir40a依赖性干细胞的群体和Ir68a依赖性湿细胞的群体，它们分别响应干燥或潮湿的空气。与嗅觉或其他物理线索不同，接触依赖的味觉机制有助于宿主评估，并最终决定是否发生叮咬。在白纹伊蚊（Aedes albopictus）中，来自人类皮肤和汗液的味觉物质会促进叮咬。这些线索由唇瓣检测，这是一个包含具有独特电生理反应的有序感器的味觉器官，富含化学感受器家族，包括味觉受体（Grs）、离子型受体（Irs）、pickpocket通道（ppks）和TRP通道（Trps），如painless1。尽管宿主搜寻依赖于多模态线索，但嗅觉在人类专化中起着关键作用。在埃及伊蚊中，破坏气味受体共受体Orco会消除对人类气味的偏好，证明了其对宿主辨别的必要性。在具有Orco缺陷神经元的冈比亚按蚊和Anopheles coluzzi Orco突变体中也有类似的气味辨别缺陷报道，尽管对宿主物种偏好的影响尚待检验。在埃及伊蚊中，人类偏好的进化与特定气味受体Or4的表达增加有关，该受体被人气味中的化合物激活。在神经元层面，人类和非人类气味在触角叶中以不同的方式呈现，显示出物种特异性的肾小球激活模式。值得注意的是，蚊子嗅觉神经元可以共表达多个配体特异性的化学感受受体，包括Or和Ir家族的成员，这偏离了传统的每个神经元一个受体的模型，表明气味编码中存在冗余，这可能支持在复杂的气味环境中进行稳健的宿主识别。二级嗅觉神经元的电生理学研究支持组合编码和肾小球间的相互作用，这些可能影响嗅觉处理和宿主搜寻行为。除了整体的人类气味偏好外，蚊子对不同个体的皮肤气味混合物的吸引力水平也有所不同，这在埃及伊蚊和冈比亚按蚊的实验室和半野外研究中均有证实。这些发现凸显了嗅觉专业化是人类叮咬的关键驱动因素，也是旨在降低叮咬效率的干预措施的潜在靶点。尽管嗅觉是叮咬偏好的核心，但人类专化也受到生态和进化压力的塑造。在埃及伊蚊中，向叮咬人类的转变最初被认为是由气候和对人类储水用于繁殖的依赖所驱动的，而城市化则在近几十年成为主导因素。正在进行的研究领域侧重于将嗅觉编码的功能分析与新兴的蚊子大脑连接组图谱相结合，以了解宿主衍生的线索是如何转化为行为输出的。努力正日益集中在将受体水平的活动和肾小球表征与编码和优先处理人类特异性气味信号的确定下游回路联系起来。这些方法可能揭示关键的回路节点和组织原则，这些原则可作为干扰宿主搜寻和叮咬的目标。

宿主搜寻驱力的调节

尽管蚊子使用强大的感官策略来寻找人类，但宿主搜寻并非恒定不变。相反，它受到雌蚊内部状态的强烈门控。生殖状态和昼夜节律时机调节着叮咬驱力，在一天中的特定时间或生殖周期的不同阶段几乎完全抑制。在血餐后的几天里，即卵子成熟期间，雌蚊大幅减少活动和叮咬驱力，这种行为状态被称为宿主搜寻抑制。这在埃及伊蚊中得到了最广泛的描述，其中抑制发生在连续阶段。初始抑制很可能由饱血后中肠膨胀的机械感觉反馈介导，随后是由营养物衍生的信号激活肠道中的饱腹感相关神经肽通路，最后是由成熟卵母细胞的存在发出的信号抑制宿主搜寻。重要的是，这些通路可以被独立操控；神经肽Y样受体7（NPYLR7）调节埃及伊蚊的宿主搜寻，并且可以通过药理学激动剂来抑制叮咬，即使在没有蛋白质消耗或卵子发育的情况下也是如此。宿主搜寻抑制发生在伊蚊（Aedes）、按蚊（Anopheles）和库蚊（Culex）中，尽管其发作和持续时间的差异指向物种特异性的调节机制。有证据表明，抑制涉及对宿主线索（如乳酸）外周敏感性的调节，并且最近的研究已经确定了大脑外的信号是宿主搜寻的关键调节因子。多器官通讯如何协调生理状态、感觉加工和行为仍然是正在进行的调查的重要领域。每日叮咬节律也有充分记录，特别是在疾病负担高的地区。伊蚊通常是昼行性的，而按蚊则倾向于表现出夜间叮咬模式。实验室研究表明，光线线索会促进昼行性蚊子的活动和叮咬，但抑制夜行性物种的这些行为。近期的研究还揭示了昼夜节律时机与对宿主线索CO₂的行为持久性之间的相互作用，其特征是在埃及伊蚊中，叮咬高峰期对CO₂脉冲的反应更持久。在分子水平上，昼夜节律由保守的转录-翻译反馈环（TTFL）调节，核心时钟基因的破坏会显著改变跨蚊种的活动模式和节律行为。与此一致的是，在伊蚊和按蚊中均报道了嗅觉敏感性的日常振荡。昼夜节律神经肽色素分散因子（PDF）协调大脑中昼夜节律神经元簇间的时钟基因转录振荡，并控制日常行为时机，PDF的缺失会导致埃及伊蚊清晨活动水平和叮咬效率显著降低。昼夜节律钟也能直接影响病原体传播。在冈比亚按蚊中，唾液腺中对高效血液取食至关重要的许多基因受昼夜节律控制，从而促进夜间取食。疟原虫也表现出内在节律并调节传播效率，这表明媒介和病原体时钟相互作用以影响传播动力学。正在进行的工作旨在建立核心时钟功能与宿主搜寻调节之间的机制联系，并确定寄生虫、媒介和宿主时钟如何共同影响感染结果，揭示共同进化的计时系统如何塑造媒介传播疾病的传播。

繁殖行为

蚊媒疾病风险不断增加的一个关键驱动因素是蚊虫种群的增长及其向新领土的扩张，而这得益于高效且适应性强的繁殖行为。当雌蚊怀卵并准备产卵时，她会经历行为重编程和感官重调，以促进成功的产卵。在合适的基质上产卵对于繁殖成功至关重要，因为后代的存活完全取决于产卵地点的特征。这些特征包括适当的孵化信号、无毒素/盐分、供幼虫发育的充足营养、免受捕食者的侵害以及最佳种群密度。雌蚊通常在静水中产卵，这使得寻求湿度的行为对于识别合适的产卵地点至关重要。除了其在感知宿主皮肤湿度中的作用外，离子型受体Ir93a也是怀卵雌蚊在冈比亚按蚊和埃及伊蚊中定位产卵地点所必需的。此外，怀卵雌蚊会被潜在产卵地点的挥发性气味线索所吸引。通常，这些化学线索指示营养来源的存在，包括微生物挥发性物质土臭素（geosmin）。近期的研究还确定了一种依赖于时钟基因的超活跃状态，有助于寻找产卵地点。一旦降落在潜在的基质上，怀卵雌蚊会通过评估水的盐度来进一步判断适宜性，这依赖于其前足上的DEG/ENaC通道ppk301。其他研究表明，来自其他怀卵雌蚊的群体嗅觉线索会影响有助于调节种群密度的产卵决策，该过程由Orco和CO₂受体Gr3介导。虽然在热带和亚热带气候下，周期性的血液取食和产卵全年维持着蚊虫种群，但温带地区的物种通常依赖替代性的繁殖程序来应对季节变化。许多物种进入滞育（diapause），这是一种由激素调控的发育停滞状态，能够在不适宜的环境条件下生存。白纹伊蚊（Aedes albopictus）经历由母体引发的胚胎滞育，并产生发育停滞且抗孵化的卵，这些卵能在严冬中存活，并在春季条件适宜时孵化。日照长度和温度是不同越冬策略物种滞育诱导的常见线索。在以成虫雌蚊形式滞育的致倦库蚊（Culex pipiens）中，破坏昼夜节律钟会在夏季条件下引发不适当的滞育。尽管不滞育，按蚊也表现出季节性变化，并可进入夏眠（aestivation），一种在炎热干旱季节存活的休眠期。未来的研究将探索昼夜节律钟、季节性信号和生殖状态如何在分子和回路水平上整合以协调蚊子行为和种群动态，以及这些机制在不同季节性繁殖策略的物种间是保守的还是分化的。

蚊虫控制的行为靶点

20世纪初蚊媒疾病的威胁推动了对昆虫生理学的研究，并制定了协调的蚊虫控制策略，这些策略在战时及后来的和平时期实现了疾病预防。传统努力在很大程度上依赖于杀虫剂，如滴滴涕（DDT），针对成蚊种群和早期发育阶段。尽管新型合成杀虫剂旨在提高对人类健康的安全性，但它们继续引起生态担忧，涉及对农业和生态保护重要的非目标昆虫物种的意外影响。此外，广泛使用杀虫剂施加了强大的选择压力，导致抗药性的迅速出现。尽管取得了历史性的成功，但这些局限性凸显了对替代控制策略的需求。一种已在多个物种中成功应用的方法是昆虫不育技术（SIT），该方法通过使用不育雄性与雌性交配来针对繁殖。由于雌性通常只交配一次，那些与辐射绝育雄性交配的雌性将既不能产生可育后代，也不会与可育雄性重新交配。尽管SIT在诸如新世界螺旋蝇、地中海果蝇和舌蝇等昆虫中取得了巨大成功，但由于复杂的种群动态、难以达到足够的绝育与野生雄性比例以及与辐照相关的适合度代价，其在蚊虫中的应用更具挑战性。另一种方法是释放感染沃尔巴克氏体（Wolbachia）的蚊子。根据Wolbachia菌株和蚊子系统的不同，Wolbachia可诱导胞质不相容性（cytoplasmic incompatibility），降低不相容交配产生的胚胎活力，并可降低蚊子对某些病原体的易感性。这些效应提供了一种无需释放转基因蚊子即可压制蚊虫种群或减少病原体传播的手段。然而，Wolbachia-蚊子和Wolbachia-病原体相互作用的长期效果需要持续评估。有针对性的转基因方法，如基因驱动（GD）和释放携带显性致死基因的昆虫（RIDL），也通过诱导后代致死性或减少病原体传播来针对蚊子繁殖。然而，这些转基因方法仍需应对重大的伦理和监管问题，并且这些方法的生态和进化后果需要仔细评估，以尽量减少意外影响。新兴的蚊虫控制策略越来越多地利用病原体传播行为的神经生物学。对蚊子感官偏好及其神经基础的见解完善了“引诱并杀灭”策略。大量关于化学线索和化学感受检测的工作已经确定了参与宿主搜寻和产卵的关键引诱剂，从而能够开发更有效且商业上可行的诱捕器。例如，甜菜根皮提取物已被证明是产卵地点引诱剂土臭素的低成本替代品，在发展中国家具有广阔的应用前景。其他基于感官的策略包括针对振翅频率偏好的声学陷阱和模仿集群地点的视觉标记物，这些信号通常由寻找潜在配偶的雄性检测到。对蚊子行为内部调节的理解进展提供了额外的干预靶点。识别调节宿主搜寻或交配的受体可以实现小分子拮抗剂/激动剂的结构引导药物设计，从而降低叮咬率或繁殖成功率。这些方法说明了蚊子神经生物学的机制性见解如何为超越传统杀虫剂的媒介控制开辟了新途径。