Artificial feeding of the hard tick Ixodes ricinus

Abstract

The artificial tick feeding systems (ATFS) offer a promising alternative to animal experiments. They can be used for studies of tick biology and physiology, for experiments investigating the tick microbiome, novel tick control strategies and the tick-(microbiome)-pathogen interface as well as to facilitate tick rearing. At a time where globalization and global warming is affecting the prevalence, distribution and host encounters of ticks, research regarding ticks and tick-borne diseases is particularly important. The junior research group “Tick-borne Zoonoses” was founded to develop innovative and practical approaches to studying the vector biology of Europe’s most common hard tick species, Ixodes ricinus. This PhD project specifically focused on the use of ATFS for feeding of I. ricinus ticks. Chapter 1 provides an introduction to the biology and relevance of I. ricinus in Europe, as well as delving into an explanation of the different components and applications of ATFS. In Chapter 2, results from our first study are used to compare and contrast tick feeding of multiple consecutive life stages of I. ricinus between the in vitro feeding by ATFS and in vivo on live cattle. Findings showed that artificially fed ticks were generally inferior to ticks fed on live cattle and all life stages showed significantly longer feeding durations. However, in larvae, higher engorgement and molting proportions indicated that the ATFS was more effective than in vivo feeding. Further, the feeding and fecundity parameters for F1 adults improved after B vitamin supplementation and a water bath system. The prolonged feeding durations commonly observed in the ATFS are associated with an increased risk of contamination, even if the blood meal is supplemented with the antibiotic gentamicin. However, both bacterial contamination and antibiotic treatment have been linked to negative effects on feeding success. To further investigate the effects of using gentamicin in the ATFS on the tick microbiome, ticks were consecutively fed on cattle blood with and without gentamicin in an ATFS. A multimethod approach involving amplicon sequencing of 16S rRNA and further quantification of common bacteria using qPCR was used. Chapter 3 describes the results and compares the findings to ticks fed on live cattle. Despite facing challenges around the extraction and sequencing of DNA from individual ticks, we were able to show that in female ticks fed on live cattle the dominant symbiont was Candidatus Midichloria mitochondrii. In female ticks fed in the ATFS using a gentamicin-treated blood meal, the most abundant bacterium was Rickettsia helvetica. Hence, we were able to deduce that both fecundity and microbial composition are likely to be influenced by the ATFS. These findings should be taken into account for future studies using the ATFS.

Künstliche Schildzeckenfütterungssysteme bieten eine vielversprechende Alternative für Tierversuche, um die Biologie und Physiologie von Zecken zu untersuchen, aber auch, um mehr Erkenntnisse über das Zeckenmikrobiom, bei der Entwicklung von Zeckenbekämpfungsstrategien und auch die Schnittstelle zwischen Zecke-Mikrobiome-Krankheitserreger zu gewinnen und schlussendlich auch, um die Zeckenaufzucht zu erleichtern. Die Erforschung von Zecken und von durch Zecken übertragenen Krankheiten ist in Zeiten der globalen Erwärmung und deren einhergehenden Ausweitung der Verbreitung und Auftreten von Zecken unerlässlich. Dieses Dissertationsprojekt ist Teil der Nachwuchsgruppe "Tick-borne Zoonoses", die mit innovativen, praktischen und molekularen Ansätzen die Vektorbiologie der häufigsten europäischen Zeckenart, Ixodes ricinus, weiter versucht aufzuklären. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der künstlichen Schildfütterungssystemen von I. ricinus. Zum besseren Verständnis gibt Kapitel 1 eine Einführung in die Biologie und Bedeutung von I. ricinus in Europa und beleuchtet die verschiedenen Komponenten und Anwendungen von ATFS. Es folgt Kapitel 2, in dem der erfolgreiche Abschluss des Lebenszyklus von I. ricinus mittels künstlicher Fütterung nachgewiesen wurde. Die künstlich gefütterten Zecken waren im Allgemeinen den in vivo an lebenden Rindern gefütterten Zecken unterlegen und haben eine deutlich längere Fütterungsdauer aufweisen. Allerdings wiesen bei den Larven die höheren Anteile an Saug- und Häutungsvorgängen darauf hin, dass die künstliche Fütterung effektiver war als die in vivo Fütterung. Darüber hinaus wurden die Fütterungs- und Fruchtbarkeitsparameter der adulten F1 durch die B-Vitamin-Supplementierung und einer Wasserbadanwendung verbessert. Um die Auswirkungen der Verwendung von Gentamicin im künstlichen Fütterungssystem auf das Zeckenmikrobiom weiter zu untersuchen, wurden Zecken nacheinander mit Rinderblut mit und ohne Gentamicin gefüttert. Es wurde ein mehrheitlicher Ansatz mit Amplikon-Sequenzierung von 16S rRNA und anschließender Quantifizierung häufiger Bakterien mittels qPCR-Analyse angewendet. Kapitel 3 beschreibt die Ergebnisse und vergleicht sie mit in vivo gefütterten Zecken. Trotz den Herausforderungen einer erfolgreichen DNA-Extraktion aus einzelnen Zecken und deren Sequenzierungsanalyse wurde bei den in vivo gefütterten Weibchen eine andere mikrobielle Zusammensetzung beobachtet als mittels der künstlichen Fütterung: in vivo wurden in den Weibchen vor allem Candidatus Midichloria mitochondrii identifiziert, während bei Weibchen, die zuvor künstlich mit antibiotisch behandelten Blutmahlzeiten gefüttert wurden, Rickettsia helvetica die vorherrschende Bakterienspezies war. Diese Ergebnisse zeigen, dass die künstliche Schildzeckenfütterung höchstwahrscheinlich die Fruchtbarkeit und die Zusammensetzung des Mikrobioms beeinflusst hat und dies für künftigen Studien mittels dieser Technik berücksichtigt werden sollte.