[論文レビュー] On the use of the sterile insect technique or the incompatible insect technique to reduce or eliminate mosquito populations

Martin Strugarek, Hervé Bossin+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Insect symbiosis and bacterial influences参考文献 27被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、アースド・モスキート（Aedes）の個体群を根絶するためのSterile Insect Technique（SIT）およびIncompatible Insect Technique（IIT）を分析するため、二重安定（bistable）な数学的モデルを構築する。Allee効果と一定・周期的雄の放出を組み込んだ個体群動態モデルを用い、個体群の絶滅に至るための解析的条件および最小処理時間の導出がなされ、実際のパラメータ（*Aedes polynesiensis* からのデータ）を用いた数値シミュレーションによって検証されている。

ABSTRACT

Vector control is critical to limit the circulation of vector-borne diseases like chikungunya, dengue or zika which have become important issues around the world. Among them the Sterile Insect Technique (SIT) and the Incompatible Insect Technique (IIT) recently aroused a renewed interest. In this paper we derive and study a minimalistic mathematical model designed for Aedes mosquito population elimination by SIT/IIT. Contrary to most of the previous models, it is bistable in general, allowing simultaneously for elimination of the population and for its survival. We consider dierent types of releases (constant, periodic or impulsive) and show necessary conditions to reach elimination in each case. We also estimate both sucient and minimal treatment times. Biological parameters are estimated from a case study of an Aedes polynesiensis population, for which extensive numerical investigations illustrate the analytical results. The applications of this work are twofold: to help identifying some key parameters that may need further eld investigations, and to help designing release protocols.

研究の動機と目的

• SIT/IITに基づくAedesモスキート個体群の根絶を実現するための最小限でコンpartimentalized（区画化された）数学的モデルの構築。
• SIT/IITによる個体群根絶の成功に顕著に影響を与える主要な生物学的パラメータの同定。
• 一定・周期的・インパルス的放出戦略の下での個体群絶滅に必要な十分かつ必要条件の特定。
• 現実の状況における成功した根絶を実現するための最小処理期間および放出強度の推定。
• 理論的および数値的分析に基づき、実地応用可能な効率的な放出プロトコルの設計フレームワークの提供。

提案手法

• AedesモスキートにおけるAllee効果および密度依存的個体群動態を組み込んだ単調な力学系モデルを定式化する。
• 初期条件および放出パラメータに依存して、個体群の絶滅または存続が可能となる二重安定系を導入する。
• 系の固有値と安定性解析を用いて、絶滅域に到達するまでの時間を求める解析的不等式を導出する。
• 外部入力としての放出項をモデルに組み込み、制御理論を適用することで、一定・周期的・インパルス的放出戦略の解析を可能にする。
• 実際の生物学的パラメータ推定値（*Aedes polynesiensis* からのデータ）を用いた数値シミュレーションにより、解析的結果の妥当性を検証する。
• 卵・メス・オス個体群の推移に対する漸近的境界および指数的減衰推定を用い、最小処理期間を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SITまたはIITを用いてAedesモスキート個体群を完全に根絶するための必要かつ十分な条件は何か？
• RQ2 一定・周期的・インパルス的といった異なる放出戦略は、絶滅までの時間および必要な放出努力にどのように影響を与えるか？
• RQ3 個体群根絶を保証するための最小処理期間は何か？ また、それらは生物学的パラメータにどのように依存するか？
• RQ4 SIT/IITの成功に最も顕著に影響を与える生物学的パラメータは何か？ したがって、現場でのさらなる調査が求められるのはどのパラメータか？
• RQ5 放出段階における卵・メス・オス個体群のダイナミクスはどのように相互作用するか？ また、どの区画が絶滅にとって最も重要か？

主な発見

• モデルは二重安定ダイナミクスを示し、個体群の絶滅または存続が初期条件および放出強度に強く依存する。
• 絶滅のための必要条件として、放出速度が系の固有値およびAllee効果パラメータから導かれる閾値を超えることが求められる。
• 絶滅に至る最小処理時間は、個体群サイズと放出効率の比の対数を含む下界で抑えられ、各個体群区画について明示的な式が導出されている。
• オス個体群の動態が短命である場合、絶滅までの時間はオス個体群に最も敏感であり、高リスクのオス死亡率下では最小処理時間がオス区画に支配される。
• 数値シミュレーションの結果、必要な処理時間が初期個体群サイズおよび放出効率の逆数の対数に比例して増加することが示された。
• モデルは、オス寿命、卵およびメスの生存率、およびWolbachia由来の細胞質不適合性効率といったパラメータが成功の主要要因であると特定し、現場研究において優先的に調査すべきであると示唆している。