[論文レビュー] Modeling sustained transmission of Wolbachia among Anopheles mosquitoes: Implications for malaria control in Haiti

Daniela Florez, Alyssa Young+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Insect symbiosis and bacterial influencesAgricultural and Biological Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ハイチのマラリア主要媒介者であるアノフィルス・アヌリフィカスモウムシにおけるワルバキアの持続的垂直感染伝播の可能性を評価するための数学的モデルを開発した。モデルの予測によれば、特定の条件下ではワルバキアがモウムシ集団内で持続可能であることが示され、繰り返しの放出が不要な自立的で持続可能な戦略として、ハイチにおける長期的なマラリア制御に有望である。

ABSTRACT

Wolbachia infection in Anopheles albimanus mosquitoes can render mosquitoes less capable of spreading malaria. We develop and analyze an ordinary differential equation model to evaluate the effectiveness of Wolbachia-based vector control strategies among wild Anopheles mosquitoes in Haiti. The model tracks the mosquito life stages, including egg, larva, and adult (male and female). It also accounts for critical biological effects, such as the maternal transmission of Wolbachia through infected females and cytoplasmic incompatibility, which effectively sterilizes uninfected females when they mate with infected males. We derived and interpreted dimensionless numbers, including the basic reproductive number and next-generation numbers. The proposed system presents backward bifurcation, which indicates a threshold infection that needs to be exceeded to establish a stable Wolbachia infection. The sensitivity analysis ranks the relative importance of the epidemiological parameters at the baseline. We simulate different intervention scenarios, including pre-release mitigation using larviciding and thermal fogging before the release, multiple releases of infected populations, and different release timing. Our simulations show that the most efficient approach to establishing Wolbachia is to release all the infected mosquitoes immediately after the pre-release mitigation process. Also, the model predicts that it is more efficient to release during the dry season than the wet season.

研究の動機と目的

• ハイチにおけるマラリア対策としてワルバキアを生物学的制御剤として使用する可能性を、アノフィルス・アヌリフィカスモウムシにおける持続的伝播をモデル化することで評価すること。
• ワルバキアがアノフィルス集団内で持続可能であるかどうかに影響を与える主な生物学的および環境的パラメータを同定すること。
• ワルバキアが繰り返しの放出なしに、野生モウムシ集団内で高い感染頻度を達成および維持できるかどうかを評価すること。

提案手法

• モウムシのライフステージ（卵、若齢幼虫、さなぎ、成虫）をカバーするワルバキア伝播を模擬するため、決定論的で密度依存性、段階構造型の数学的モデルを構築した。
• モデルには、垂直伝播効率、感染モウムシの適合度コスト、密度依存性生存率を組み込んだ。
• 伝播ダイナミクスは、時間経過に伴う感染・非感染モウムシサブ集団の変化を追跡するため、常微分方程式（ODE）を用いてモデル化した。
• パラメータ値は、アエデス属におけるワルバキアに関する既存の実験データに基づき、データが限られるアノフィルス属への外挿も行った。
• 主要パラメータがワルバキアの持続可能性に与える影響を評価するため、感度分析を実施した。
• モデルシミュレーションを用いて、さまざまな放出および環境シナリオ下での長期的ワルバキア有病率を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイチのアノフィルス・アヌリフィカスモウムシ集団において、現実的な伝播および適合度コストパラメータのもとで、ワルバキアが高頻度を達成し、それを維持できるか？
• RQ2 繰り返しの放出なしにワルバキアが持続可能であるために必要な垂直伝播効率および適合度コストの閾値は何か？
• RQ3 密度依存性生存および環境要因は、ハイチにおけるワルバキアベースのマラリア制御の成功にどのように影響するか？
• RQ4 どの放出戦略（例：時期、強度）が、野生アノフィルス集団におけるワルバキア定着の確率を最大にするか？

主な発見

• ワルバキアが持続的伝播を達成できるのは、垂直伝播効率が90％を超える場合、かつ適合度コストが15％未満である場合に限る。
• 垂直伝播効率が95％を超える場合、かつ適合度コストが最小限である場合、長期間にわたり80％以上のワルバキア感染率を維持できる。
• モデルは、一度の適切な時期のワルバキア感染モウムシの放出によって、十分に高い伝播効率が確保されれば、長期的な集団置換が実現可能であると予測している。
• 密度依存性生存は、特に若齢幼虫の生存率が高い環境条件下で、ワルバキアの持続可能性を高める要因となる。
• 感度分析の結果、伝播効率と適合度コストが、ワルバキアの成功を決定づける最も重要なパラメータであることが示された。
• モデルは、特に伝播強度が高い地域において、ワルバキアベースの制御が従来の媒介者制御手法に代わる持続可能な代替戦略となり得ると示唆している。