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Arbovirus de importancia en salud pública y viroma en mosquitos de Colombia: un enfoque metagenómico

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dc.contributor.advisorRamírez González, Juan David
dc.contributor.advisorMuñoz Díaz, Claudia Marina
dc.contributor.gruplacGrupo de Investigaciones Microbiológicas UR (GIMUR)
dc.creatorGómez Rodríguez, Alida Marcela
dc.creator.degreeDoctor en Ciencias Biomédicas y Biológicas
dc.creator.degreeLevelDoctorado
dc.creator.degreetypeFull time
dc.date.accessioned2024-08-09T20:23:30Z
dc.date.available2024-08-09T20:23:30Z
dc.date.created2024-07-30
dc.descriptionLos arbovirus, virus transmitidos por artrópodos, son de gran importancia epidemiológica y socioeconómica a nivel mundial debido a su implicación en enfermedades febriles y neurológicas que afectan a una parte significativa de la población global. El virus del dengue (DENV) se destaca por causar la infección más prevalente, especialmente en países tropicales y subtropicales. En las últimas décadas, su incidencia ha experimentado un crecimiento exponencial a nivel mundial, con más de 4.000 millones de personas en riesgo de contagio en estas regiones. Por lo tanto, la vigilancia epidemiológica y el control vectorial juegan un papel fundamental en el control efectivo de estas enfermedades. La propagación eficiente de arbovirus, como el DENV, se facilita principalmente por el mosquito Aedes aegypti, ampliamente reconocido como un vector altamente competente. Su marcado comportamiento antropofílico y su estrecha asociación con entornos urbanos y peridomésticos contribuyen significativamente a esta capacidad. Las características biológicas de los mosquitos Aedes promueven su rápida adaptación a nuevos hábitats y su extensa dispersión geográfica, muchas veces relacionada con intervenciones humanas como la urbanización no planificada, el comercio global y el cambio climático. Como resultado, esta especie vectorial se han convertido en una amenaza significativa, comprometiendo la eficacia de las medidas preventivas y la implementación operativa de los programas de control, así como la gestión de brotes de enfermedades asociadas. Asimismo, otros mosquitos de la familia Culicidae también han sido implicados en la transmisión de virus patógenos en ciclos tanto urbanos como rurales. Sin embargo, en las zonas rurales con riesgo de transmisión de enfermedades zoonóticas a los humanos, los vectores endémicos continúan siendo objeto de estudio. Los avances en las tecnologías de secuenciación de nueva generación (NGS) han revolucionado las estrategias de vigilancia entomovirológica al permitir la detección de virus (re)emergentes y el descubrimiento de nuevas secuencias virales. Estos avances han llevado a la identificación de un grupo representativo de virus conocidos como virus específicos de insectos (ISVs), que infectan naturalmente a los artrópodos, pero no pueden replicarse en células de vertebrados ni infectar a humanos. Se ha observado que algunos de estos ISVs forman un "viroma central" estable y específico para cada especie de mosquito, lo que sugiere su capacidad para influir en la biología del hospedero. Específicamente, estos ISVs pueden modular la transmisión de agentes virales y la competencia vectorial, lo que los convierte en un componente crucial para el desarrollo de nuevas estrategias de control de arbovirus. Colombia, un país tropical, ofrece condiciones óptimas para el desarrollo y adaptación de diversas especies de mosquitos, lo que crea un entorno propicio para la transmisión de arbovirus de importancia epidemiológica. Los casos de enfermedades transmitidas por arbovirus, especialmente el dengue, han sido prevalentes en el país debido a su alta incidencia estimada. Desde 2016, se ha observado la co-circulación de otros arbovirus como el chikungunya (CHIKV) y el Zika (ZIKV). Este fenómeno se atribuye a las características geográficas de Colombia, las condiciones favorables para la transmisión viral y la presencia generalizada del vector en la mayoría de los municipios del país. En este contexto, los estudios de epidemiología molecular de los arbovirus transmitidos por insectos son fundamentales para comprender la dinámica viral y anticipar posibles brotes epidémicos. Sin embargo, la mayoría de estas investigaciones se han centrado en el análisis de muestras de pacientes infectados, y son escasos los estudios realizados en muestras de vectores. Esta limitación posiblemente ha obstaculizado un control integral y eficiente de este tipo de enfermedades. Actualmente, uno de los desafíos principales en el estudio de las arbovirosis, es comprender la diversidad de éstos durante su ciclo de vida en el agente vectorial. Además, es crucial describir las comunidades virales asociadas a los mosquitos vectores, lo que podría proporcionar una comprensión más precisa de la competencia vectorial. Este enfoque permitiría obtener un conocimiento integral de la dinámica de transmisión de arbovirus, contribuiría a la vigilancia epidemiológica de alta resolución y facilitaría el diseño de estrategias eficientes de control y prevención. Por lo tanto, el objetivo general de esta tesis doctoral fue " Caracterizar arbovirus de importancia en salud pública y el viroma en mosquitos de Colombia mediante un enfoque metagenómico ", el cual se desglosó en tres objetivos específicos: 1. Analizar la frecuencia de infección de arbovirus e identificación molecular de las especies de mosquitos del género Aedes en distintos departamentos de Colombia. 2. Caracterizar el viroma de Aedes aegypti con infección natural por el virus del dengue (DENV) mediante análisis metagenómicos. 3. Describir la dinámica de transmisión y composición viral en poblaciones de mosquitos (Díptera: Culicidae) en ecosistemas rurales estratégicos. Cada uno de estos objetivos se encuentra asociado con un capítulo dentro de este trabajo de investigación. En el primer capítulo se evidencia que la utilización de técnicas moleculares en la vigilancia entomovirológica constituye una herramienta poderosa para la detección temprana de arbovirus, facilitando así la toma de decisiones en las estrategias de control y prevención. Durante el período 2020-2021, se realizó un análisis en mosquitos Ae. aegypti recolectados en diversas regiones de Colombia, donde se observó una alta frecuencia de infección y co-infección natural por serotipos del virus del dengue (DENV-1, DENV-2 y DENV-3). A su vez, la presencia del virus Chikungunya (CHIKV) fue menos frecuente y no se detectó el virus Zika (ZIKV). Estos resultados reafirman el papel predominante de Ae. aegypti en la transmisión del dengue en Colombia y señalan una disminución en la circulación de otros arbovirus tras los brotes significativos de 2015 y 2016. Adicionalmente, el análisis de la diversidad genética de Ae. aegypti, realizado mediante la secuenciación del marcador molecular COI, reveló la predominancia del linaje I en el país. Este linaje está ampliamente distribuido en las Américas y está asociado con áreas de alta incidencia de dengue. Los hallazgos de este estudio subrayan la importancia de detectar infecciones y co-infecciones por arbovirus en mosquitos Aedes, así como la identificación de especies vectoriales y el análisis de su dinámica poblacional mediante técnicas moleculares. Esta información es crucial para establecer sistemas de alerta temprana que respalden la implementación oportuna de medidas de intervención frente a la emergencia o reemergencia de arbovirus. En el segundo capítulo se llevó a cabo la caracterización del viroma de mosquitos Aedes aegypti, utilizando muestras que fueron previamente identificadas en el Capítulo 1 con infección natural por DENV (serotipos DENV-1 y DENV-2), así como muestras de mosquitos que resultaron negativas en las pruebas de infección viral (DENV-negativo). Para esto, se empleó un método de enriquecimiento viral seguido de secuenciación metagenómica utilizando la tecnología de Oxford Nanopore Technologies (ONT). Este enfoque permitió identificar los ISVs predominantes en estas poblaciones. Se observó una variación significativa en la abundancia de ciertas especies y familias de ISVs en respuesta a la infección natural por los diferentes serotipos de DENV. Estas variaciones pueden ser atribuidas a los complejos mecanismos de interacción entre los ISVs y los arbovirus dentro del mosquito vector. Además, se constató una presencia diferencial del Phasi-Charoen-like phasivirus (PCLV) en las muestras infectadas por DENV. Este ISV ha sido descrito previamente como parte del viroma central en los mosquitos Aedes. Los análisis filogenéticos de PCLV revelaron asociaciones con secuencias de varias regiones a nivel mundial, destacando especialmente las similitudes con secuencias provenientes de Brasil y Guadeloupe, lo que sugiere una relación evolutiva compartida con estos hospederos. Los resultados de este estudio no solo mejoran nuestra comprensión de la diversidad viral en los mosquitos vectores, sino que también proporcionan información crucial sobre las posibles interacciones entre los ISVs y los arbovirus. Esta información es fundamental para el diseño de estrategias eficaces de control y prevención de las enfermedades transmitidas por Ae. aegypti. En el tercer capítulo se investigó inicialmente la frecuencia de infección por Flavivirus y las preferencias alimentarias en las especies de mosquitos que habitan en un ecosistema rural de sabana en la Orinoquia de Colombia. A continuación, se efectuó un análisis metagenómico viral enfocado en las especies de mosquitos de mayor abundancia y relevancia para la salud pública, incluyendo géneros como Ochlerotatus, Culex, Limatus, Mansonia, Psorophora y Sabethes. La región estudiada se caracteriza por una mínima interferencia humana y una perturbación antropogénica limitada. Los resultados mostraron la presencia del virus del Nilo Occidental (WNV), un patógeno de importancia médica, en mosquitos de la especie Culex browni. Este hallazgo resalta el potencial impacto de las actividades humanas en ecosistemas sensibles a las intervenciones antropogénicas. Además, los patrones de alimentación demostraron que la mayoría de las especies de mosquitos exhiben un comportamiento generalista. De igual manera, se identificó la presencia de diversos virus específicos de insectos (ISVs) y un grupo común de estos virus en todas las especies de mosquitos analizadas. Esto sugiere que los factores ambientales y del hábitat podrían influir en la composición de las comunidades virales en estos insectos, especialmente entre especies que cohabitan en ecosistemas locales con características ecológicas similares. Los resultados obtenidos destacan la importancia de mantener y ampliar los estudios de vigilancia entomovirológica, especialmente en áreas con mínima intervención humana. Estos hallazgos soportan la alta probabilidad de que virus potencialmente patógenos se propaguen entre las poblaciones humanas y animales en contextos de deforestación y cambios ambientales. Además, estos hallazgos resaltan la necesidad de comprender mejor la composición viral de los mosquitos en diversos ecosistemas. Estudiar la influencia de las condiciones del hábitat rural local en la estructura y composición del viroma de los mosquitos vectores, podría proporcionar una base más sólida para el desarrollo de estrategias efectivas en el control vectorial y la prevención de futuros brotes de enfermedades transmitidas por vectores. En resumen, la presente tesis doctoral amplía el conocimiento sobre la vigilancia y detección de arbovirus en mosquitos Aedes de zonas urbanas y en otros mosquitos vectores de rurales de Colombia, siendo el primer estudio en usar la tecnología ONT en insectos y virus en el país. Además, esta investigación profundiza en la importancia de los virus específicos de insectos (ISV) en la biología y dinámica de los vectores. Utilizando herramientas moleculares, secuenciación de NGS y análisis metagenómicos, se describió la composición del viroma de Ae. aegypti, destacando cómo la presencia de los serotipos DENV-1 y DENV-2 influye en la estructura de los ISVs en este mosquito. Asimismo, se caracterizó los hábitos alimenticios y las comunidades virales en mosquitos de la familia Culicidae en regiones rurales estratégicas, revelando la dinámica de los flavivirus y las especies virales compartidas -ISV- en mosquitos del oriente colombiano. Este estudio subraya la importancia de integrar la vigilancia entomovirológica en los sistemas de salud pública para comprender mejor la transmisión de arbovirus y su potencial impacto en la salud humana y animal. Igualmente, esta investigación establece una base sólida para futuras exploraciones sobre las interacciones entre mosquitos, hospederos y virus en sus hábitats naturales, así como sus implicaciones en la competencia vectorial
dc.description.abstractArboviruses, arthropod-borne viruses, are of great epidemiological and socioeconomic importance worldwide due to their involvement in febrile and neurological diseases that affect a significant part of the global population. Dengue virus (DENV) stands out for causing the most prevalent infection, especially in tropical and subtropical countries. In recent decades, its incidence has grown exponentially worldwide, with more than 4 billion people at risk of infection in these regions. Therefore, epidemiological surveillance and vector control play a fundamental role in the effective control of these diseases. The efficient spread of arboviruses, such as DENV, is facilitated primarily by the Aedes aegypti mosquito, widely recognized as a highly competent vector. Its marked anthropophilic behavior and close association with urban and peridomestic environments contribute significantly to this ability. The biological characteristics of Aedes mosquitoes promote their rapid adaptation to new habitats and their extensive geographic dispersal, often related to human interventions such as unplanned urbanization, global trade and climate change. As a result, this vector species has become a significant threat, compromising the effectiveness of preventive measures and the operational implementation of control programs, as well as the management of associated disease outbreaks. Likewise, other mosquitoes of the family Culicidae have also been implicated in the transmission of pathogenic viruses in both urban and rural cycles. However, in rural areas at risk of zoonotic disease transmission to humans, endemic vectors continue to be studied. Advances in next-generation sequencing (NGS) technologies have revolutionized entomovirological surveillance strategies by enabling the detection of (re)emerging viruses and the discovery of new viral sequences. These advances have led to the identification of a representative group of viruses known as insect-specific viruses (ISVs), which naturally infect arthropods but cannot replicate in vertebrate cells or infect humans. Some of these ISVs have been observed to form a stable, species-specific "core virome" for each mosquito species, suggesting their ability to influence host biology. Specifically, these ISVs can modulate viral agent transmission and vector competence, making them a crucial component for the development of new arbovirus control strategies. Colombia, a tropical country, offers optimal conditions for the development and adaptation of various mosquito species, which creates an environment conducive to the transmission of epidemiologically important arboviruses. Cases of arbovirus-borne diseases, especially dengue, have been prevalent in the country due to their high estimated incidence. Since 2016, co-circulation of other arboviruses such as chikungunya (CHIKV) and Zika (ZIKV) has been observed. This phenomenon is attributed to Colombia's geographical characteristics, favorable conditions for viral transmission and the widespread presence of the vector in most municipalities of the country. In this context, molecular epidemiology studies of insect-borne arboviruses are essential for understanding viral dynamics and anticipating possible epidemic outbreaks. However, most of these However, most of these investigations have focused on the analysis of samples from infected patients, and few studies have been conducted on vector samples. This limitation has possibly hindered a comprehensive and efficient control of this type of disease. Currently, one of the main challenges in the study of arboviruses is to understand the diversity of arboviruses during their life cycle in the vector agent. In addition, it is crucial to describe the viral communities associated with mosquito vectors, which could provide a more precise understanding of vector competence. This approach would provide a comprehensive understanding of arbovirus transmission dynamics, contribute to high-resolution epidemiological surveillance, and facilitate the design of efficient control and prevention strategies. Therefore, the general objective of this doctoral thesis was to "Characterize arboviruses of public health importance and the virome in Colombian mosquitoes using a metagenomic approach", which was broken down into three specific objectives: 1. To analyze the frequency of arbovirus infection and molecular identification of the species of Aedes mosquitoes in different departments of Colombia. 2. To characterize the Aedes aegypti virome with natural infection by dengue virus (DENV) through metagenomic analysis. To describe the transmission dynamics and viral composition in mosquito populations (Diptera: Culicidae) in strategic rural ecosystems. Each of these objectives is associated with a chapter within this research work. The first chapter shows that the use of molecular techniques in entomovirological surveillance is a powerful tool for the early detection of arboviruses, thus facilitating decision-making in control and prevention strategies. During the period 2020-2021, an analysis was conducted on Ae. aegypti mosquitoes collected in various regions of Colombia, where a high frequency of infection and natural co-infection by dengue virus serotypes (DENV-1, DENV-2 and DENV-3) was observed. In turn, the presence of Chikungunya virus (CHIKV) was less frequent and Zika virus (ZIKV) was not detected. These results reaffirm the predominant role of Ae. aegypti in dengue transmission in Colombia and point to a decrease in the circulation of other arboviruses following significant outbreaks in 2015 and 2016. Additionally, analysis of the genetic diversity of Ae. aegypti, performed by sequencing of the COI molecular marker, revealed the predominance of lineage I in the country. This lineage is widely distributed in the Americas and is associated with areas of high dengue incidence. The findings of this study underscore the importance of detecting arbovirus infections and co-infections in Aedes mosquitoes, as well as the identification of vector species and the analysis of their population dynamics using molecular techniques. This information is crucial for establishing early warning systems that support the timely implementation of intervention measures in the event of arbovirus emergence or reemergence. In the second chapter, virome characterization of Aedes aegypti mosquitoes was carried out using samples that were previously identified in Chapter 1 as naturally infected by DENV (serotypes DENV-1 and DENV-2), as well as samples from mosquitoes that tested negative for viral infection (DENV-negative). For this, a viral enrichment method followed by metagenomic sequencing using Oxford Nanopore Technologies (ONT) technology was employed. This approach allowed identification of the predominant ISVs in these populations. Significant variation in the abundance of certain species and families of ISVs was observed in response to natural infection by the different DENV serotypes. These variations may be attributed to the complex mechanisms of interaction between ISVs and arboviruses within the mosquito vector. In addition, a differential presence of Phasi-Charoen-like phasivirus (PCLV) was found in DENV-infected samples. This ISV has been previously described as part of the core virome in Aedes mosquitoes. Phylogenetic analyses of PCLV revealed associations with sequences from several regions worldwide, especially highlighting similarities with sequences from Brazil and Guadeloupe, suggesting a shared evolutionary relationship with these hosts. The results of this study not only improve our understanding of viral diversity in mosquito vectors, but also provide crucial information on possible interactions between ISVs and arboviruses. This information is fundamental for the design of effective control and prevention strategies for Ae. aegypti-borne diseases. The third chapter initially investigated the frequency of Flavivirus infection and feeding preferences in mosquito species inhabiting a rural savanna ecosystem in the Orinoquia of Colombia. A viral metagenomic analysis was then performed focusing on the mosquito species of greatest abundance and public health relevance, including genera such as Ochlerotatus, Culex, Limatus, Mansonia, Psorophora and Sabethes. The region studied is characterized by minimal human interference and limited anthropogenic disturbance. The results showed the presence of West Nile virus (WNV), a pathogen of medical importance, in mosquitoes of the Culex browni species. This finding highlights the potential impact of human activities on ecosystems sensitive to anthropogenic interventions. In addition, feeding patterns demonstrated that most mosquito species exhibit generalist behavior. Similarly, the presence of several insect-specific viruses (ISVs) and a common group of these viruses was identified in all mosquito species analyzed. This suggests that environmental and habitat factors could influence the composition of viral communities in these insects, especially among species cohabiting local ecosystems with similar ecological characteristics. The results obtained highlight the importance of maintaining and expanding entomovirological surveillance studies, especially in areas with minimal human intervention. These findings support the high probability of potentially pathogenic viruses spreading among human and animal populations in contexts of deforestation and environmental change. Furthermore, these findings highlight the need to better understand the viral composition of mosquitoes in diverse ecosystems. Studying the influence of local rural habitat conditions on the structure and composition of mosquito vector virome could provide a stronger basis for the development of effective vector control strategies and the prevention of future vector-borne disease outbreaks. In summary, this doctoral thesis expands the knowledge on surveillance and detection of arboviruses in Aedes mosquitoes in urban areas and in other mosquito vectors in rural areas of Colombia, being the first study to use ONT technology in insects and viruses in the country. In addition, this research delves into the importance of insect-specific viruses (ISVs) in vector biology and dynamics. Using molecular tools, NGS sequencing and metagenomic analysis, the composition of the Ae. aegypti virome was described, highlighting how the presence of DENV-1 and DENV-2 serotypes influences the structure of ISVs in this mosquito. Likewise, the feeding habits and viral communities in mosquitoes of the family Culicidae in strategic rural regions were characterized, revealing the dynamics of flaviviruses and shared viral species -ISVs- in mosquitoes of eastern Colombia. This study underscores the importance of integrating entomovirological surveillance into public health systems to better understand arbovirus transmission and its potential impact on human and animal health. Likewise, this research establishes a solid foundation for future explorations of mosquito-host-virus interactions in their natural habitats, as well as their implications for vectorial competence.
dc.format.extent121 pp
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.48713/10336_43254
dc.identifier.urihttps://repository.urosario.edu.co/handle/10336/43254
dc.language.isospa
dc.publisherUniversidad del Rosario
dc.publisher.departmentEscuela de Medicina y Ciencias de la Salud
dc.publisher.programDoctorado en Ciencias Biomédicas y Biológicas
dc.rightsAttribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International*
dc.rights.accesRightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.accesoAbierto (Texto Completo)
dc.rights.licenciaPARGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamación o acción por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestión, EL AUTOR, asumirá toda la responsabilidad, y saldrá en defensa de los derechos aquí autorizados; para todos los efectos la universidad actúa como un tercero de buena fe.
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/*
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dc.subjectArbovirus
dc.subjectVectores
dc.subjectDengue
dc.subjectMetagenómica
dc.subjectColombia
dc.subject.keywordArboviruses
dc.subject.keywordVector
dc.subject.keywordMetegenomics
dc.subject.keywordDengue
dc.subject.keywordColombia
dc.titleArbovirus de importancia en salud pública y viroma en mosquitos de Colombia: un enfoque metagenómico
dc.title.TranslatedTitleArboviruses of Public Health Importance and Viroma in Colombian Mosquitoes: A Metagenomic Approach
dc.typedoctoralThesis
dc.type.documentTesis
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