[論文レビュー] A model to predict the population size of the dengue fever vector based on rainfall data

Lillia S. Barsante, Kelly S. Paixão+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2014

Mosquito-borne diseases and control参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、降水量データを主な駆動要因として用い、*Aedes aegypti*の個体群動態を予測する非線形常微分方程式モデルを開発した。このモデルは、干ばつ期にベクター制御行動を実施する方が、雨期に実施する場合に比べ、最大で809%の個体群減少が得られることを示しており、公衆衛生介入の最適タイミングに関する重要な昆虫学的仮説を裏付けた。

ABSTRACT

According to the World Health Organization, dengue fever is the most important mosquito-borne disease of humans, and it is currently estimated that there may be 50 - 100 million yearly dengue infections worldwide. For the purpose to provide new techniques to public health policies in course, we introduce a predictive non-linear population dynamics model to describe the population size of four stages of the development of \emph{Aedes aegypti}, having the coefficients set to be dependent on the rainfall index data. In spite of the population dynamics of the \emph{Ae. aegypti} be mainly ruled by the rainfall regime, most models are dedicated exclusively to effects of temperature and only few models are dedicated to influence of rainfall. Vector control actions are also implemented in many periods of the year in order to compare relative efficiency of public health policies. The analysis of equilibrium and stability was performed. Field rainfall time series data from the City of Lavras (Minas Gerais, Brazil) was used for the model evaluation. The model was validated in a comparison with experimental mosquito abundance data acquired by field health agents. We evaluated and validated an entomological conjecture that claims that control actions should be performed during the dry season, instead of the common procedure adopted by vector control programs, in which those are mainly applied in the rainy season.

研究の動機と目的

• 降水量データに基づく*<i>Aedes aegypti</i>個体群サイズの予測モデルの構築を目的とし、既存のモデルが主に気温に焦点を当てているのに対し、この研究ではその欠落を補う。
• 降水量パターンに応じてタイミングを調整したベクター制御行動の有効性を評価し、特に干ばつ期の制御がより効率的であるという仮説を検証することを目的とする。
• ブラジル・ラヴラスの実地データを用い、MosquiTRAP®トラップによる捕獲から導かれる平均メス*<i>Aedes</i>インデックス（MFAI）を用いて、モデルの妥当性を検証することを目的とする。
• 成人用トラップ（例：MosquiTRAP®）のサンプリング効率が降水量に影響を受けるかどうかを調査し、これが昆虫学的指標（例：MFAI）の信頼性に影響を与える可能性を検討することを目的とする。
• 公衆衛生政策における制御行動の最適タイミングを科学的根拠に基づき提言し、デングエの伝播コストと影響を低減することを目的とする。

提案手法

• 常微分方程式（ODE）の連立系を用いて、*<i>Aedes aegypti</i>の4つの生活環節（卵、若齢幼虫、さなぎ、成虫）の個体群動態をモデル化する。
• 発育および死亡率などのモデル係数を、パワー則関数を介して降水量インデックスに依存させる。指数部分は実地データに適合するように最適化される。
• 降水量インデックスは、ブラジル・ミナスジェライス州ラヴラスの歴史的時系列データから導出され、モデルのキャリブレーションおよび妥当性検証に使用される。
• モデル妥当性評価では、週次で収集されたMosquiTRAP®トラップによる実験的MFAIデータと、シミュレートされたメスモスキトーオンプットを比較する。
• 安定性および均衡解析を実施し、異なる降水量条件下でのモデルの長期的挙動を評価する。
• 制御行動のシナリオは、降水量が低い週と高い週に個体群減少要因を適用することでシミュレートされ、その有効性は得られた個体群減少の程度を比較することで定量化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降水量は*<i>Aedes aegypti</i>の4つの生活環節における個体群動態にどのように影響を与えるか。非線形で降水量依存性を持つODE系を用いて、その影響を正確にモデル化できるか。
• RQ2 一部の昆虫学者が提唱するように、干ばつ期に制御行動を実施する方が、雨期に実施する場合よりも効果的であるとされるが、これは真実か。
• RQ3 成人用トラップ（例：MosquiTRAP®）のサンプリング効率は降水量に伴い変動する可能性があり、これがMFAIなどの昆虫学的指標にバイアスをもたらすおそれがある。その影響の程度はどの程度か。
• RQ4 モデル係数を降水量にパワー則で依存させる手法が、観察された実地データに良好に適合するか。あるいは、異なる係数に対して異なる関数形を用いることで、精度が向上するか。
• RQ5 降水量が高い期間と低い期間に制御行動を実施した場合の個体群減少の定量的差はどの程度か。この差は、公衆衛生政策における戦略的転換を支持するか。

主な発見

• モデルは、*<i>Aedes aegypti</i>個体群のピーク時期と高インフラクション地域の一般的な時間的パターンをうまく再現しており、実地のMFAIデータと合理的に一致している。
• 降水量インデックスが低い週（干ばつ期）に制御行動を実施した場合、降水量が高い週に実施した場合に比べ、最大で809.06%の個体群減少が得られ、平均では542.4%の高い有効性を示した。
• 実地データへの最良の適合を得たのは、すべての係数に対してパワー則の指数r = 0.85を用いた場合であったが、各係数ごとに異なる指数を用いることで、さらに高い適合が得られる可能性がある。
• モデル予測とMFAIデータとの乖離は、モデルに含まれない気温の影響およびトラップ効率の降水量依存的変化に起因するとされる。
• 本研究は、干ばつ期の制御が顕著に効果的であるという昆虫学的仮説を確認した。これは、公衆衛生政策における戦略的転換を支持する。
• モデルの動的挙動は、期待される自然な個体群トレンドをよく再現しており、降水量のみを根拠にベクター個体群サイズを予測する信頼できるツールであると示唆している。