害得你被蚊子盯着咬的气味到底是什么?

2022-09-27 预防公卫新前沿 生物探索

为何蚊子能够快速定位并准确地降落在人类身上,又为何格外偏爱某一些人?来自加州大学河滨分校的团队从脚臭中发现了答案。

埃及伊蚊(学名:Aedes aegypti)在英语中又称为黄热病蚊子,是一种能传播登革热、屈公病、兹卡热、黄热病等疾病的蚊子,每年可导致数千万人患病或死亡。虽然起源于非洲,但随着大约500年前的奴隶贸易和欧洲对非洲的殖民,如今埃及伊蚊在全球热带与亚热带区域均有发现。在中国,北纬22°以南的沿海地区也已查明有埃及伊蚊的存在。
 
过去的研究认为,蚊子通常在数米内被宿主呼吸产生的二氧化碳羽流(Plume,流体力学中的一种模型概念,可理解为分布近似一片羽毛的流体状态)所吸引。然而,二氧化碳并不是蚊子在一米左右的范围内贴近宿主并降落的原因。温度、湿度和视觉线索对于寻找宿主也很重要,不过对于蚊子在宿主身上降落这一行为需要单独考量。已经确定,二氧化碳、乳酸、氨、短链羧酸、短链饱和醛以及1-辛烯-3-醇能够使得人对于雌蚊具有诱惑力,但这些气味仅能在数分钟内吸引中等数量的蚊子。而且,这些气味也无法解释为什么有些人就是比其他人更“招蚊子”。这些都暗示仍有一些尚未探明的化学分子在吸引蚊子降落中起到快速而强烈的决定性作用。
 
在另外的风洞研究中,涂有人类脚臭的玻璃珠吸引了埃及伊蚊的降落。为了搞清楚具体是人类脚臭中的哪种化合物或哪几种化合物的混合物才是真正的主角,加州大学河滨分校的昆虫学家Ring Cardé和现就职于害虫防治公司Provivi的化学家Jan Bello共同分离和鉴定了人类脚臭提取物的成分,并分析了这些化合物的计量与降落率的相关性,研究结果以“Compounds from human odor induce attraction and landing in female yellow fever mosquitoes(Aedes aegypti)”为题于2022年9月21日发表于Scientific Reports(图1)[1]。他们发现,二氧化碳加上两种化学物质(2-酮戊二酸和乳酸)构成的气味,是吸引蚊子降落的关键。

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图1 研究结果(图源:[1])

埃及伊蚊的降落反应

Cardé和Bello在一个充斥着4%浓度二氧化碳的小笼子中投放蚊子,并在6分钟内每隔30秒测算这些蚊子被人类脚臭沾染的玻璃珠吸引降落或被对照组玻璃珠吸引降落的百分比。结果显示脚臭玻璃珠引起了66.8±0.84%的平均降落,而对照组的平均降落率仅为3.72±0.27%(P<0.0001,图2A,视频S1)。

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寻找宿主的埃及伊蚊对于玻璃珠的降落响应(图源:[1]

 
在把实验者(即Jan Bello)的脚臭收集到玻璃珠上后,使用丙酮作为溶剂提取气味。粗制人脚臭提取物(Human foot-odor extract,HFE)的平均降落率为36.9±1.31%,而丙酮对照组的降落率为3.27±0.49%(P<0.0001,图2B)。
 
进一步对HFE提取物进行正相液相色谱分离,依次用戊烷、乙酸乙酯和甲醇洗脱,只有甲醇馏分复刻了HFE的降落率。使用硅胶柱色谱进一步分离甲醇馏分,共取得85个馏分。其中馏分66-67诱导了22.82±2.29%的平均降落率(P<0.01),馏分73-80诱导了34.15±1.46%的平均降落率(P<0.001),表明吸引短程降落(short-range landing)的化合物就存在于这些活性馏分中。

层层筛选确定活性成分

假定活性化合物至少是半挥发性是合理的,否则不可能在一定距离内对蚊子起到作用。因此,使用耦合气相色谱-质谱(Gas chromatography-mass spectrometry,GC–MS)作进一步分析,但在对馏分66-67和馏分73-80的初步分析中,未检测到任何化合物,表明馏分中的化合物在分析条件下发生了热降解或具有极强的极性,需要对活性成分进行衍生来掩盖极性官能团。

GC-MS对于衍生馏分的分析表明,馏分66-67中含有4种主要成分包括衍生乳酸(Lactic acid,LA)、丙酮酸(Pyruvic acid,PA)、未知成分化合物U1和U2。但在非活性馏分68-72和活性馏分73-80中也发现了U1和U2。馏分73-80中含有8种主要成分包括乳酸、2-酮戊二酸(2-ketoglutaric acid,2-KGA)、丝氨酸、苏氨酸和四个未知化合物(U1-U4)。结合以往的研究和半挥发性的假设,上述那些含有α-羟基酸和α-酮酸部分的成分极有可能是这次的目标。 

Cardé和Bello随后测试了PA+LA组合和2-KGA+LA组合,以及PA、LA、2-KGA单独的降落率。PA+LA的平均降落率为22.74±1.56%(P<0.0001),与馏分66-67相当。2-KGA+LA的平均降落率为58.19±2.35%(P<0.0001)。单独成分均未引起更高的降落反应,表明PA+LA和2-KGA+LA这两组混合物成分之间存在很强的协同作用。

浓度配比很重要

为了确定这两组混合物成分配比的变化对降落是否产生影响,Cardé和Bello测试了1:10~1:100,000比例的2-KGA+LA组合和1:10~1:10,000,000比例的PA+LA组合。由于乳酸是人体汗液的最主要成分,这些配比中乳酸的含量都保持在5µg不变。结果显示,对于2-KGA+LA组合,当2-KGA的剂量降低到5ng(1:1000)以下,将导致降落率显著减少(P<0.0001,图3)。对于PA+LA组合,当PA剂量在50ng(1:100)和500pg(1:10,000)时,降落率相比更高的PA剂量发生了显著的提升,而当PA剂量继续下降时,降落率又发生了回落(图4)。

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不同比例的2-KGA+LA组合的降落率(图源:[1]

 

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图4 不同比例的PA+LA组合的降落率(图源:[1])

本项研究明确指出了人体汗液中吸引蚊子的关键成分组合:乳酸和丙酮酸,及乳酸和2-酮戊二酸。这些组合对其他蚊子是否同样充满诱惑,还有是否还存在其他对埃及伊蚊具有强烈吸引力的人类代谢化合物还有待研究,但本研究足以在一定程度上启发吸引、诱捕乃至杀死蚊子的新手段。脚臭因为其易于大量收集而被本研究采用,回忆采集脚臭的过程,Bello说:“穿着塞满玻璃珠的袜子四处走动就像是在做按摩,但时间一长,玻璃珠就会卡在脚趾之间,真的很不舒服。”[2]不过,能够因此找到脚臭中对蚊子最具吸引力的化学组合,这还是值得的。
 

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图5 玻璃珠塞到袜子中收集脚臭(图源:[2])

 

参考资料:
[1]Bello, J.E., Cardé, R.T. Compounds from human odor induce attraction and landing in female yellow fever mosquitoes (Aedes aegypti). Sci Rep 12, 15638 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19254-w
[2]https://news.ucr.edu/articles/2022/09/21/chemical-cocktail-skin-summons-disease-spreading-mosquitoes 

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