[논문 리뷰] Modeling sustained transmission of Wolbachia among Anopheles mosquitoes: Implications for malaria control in Haiti

Daniela Florez, Alyssa Young외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 19.

Insect symbiosis and bacterial influencesAgricultural and Biological Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 하이티의 말라리아 주요 전파 매개충인 안오펠레스 모기에서 월바키아의 지속적인 수직 전파 가능성을 평가하기 위해 수학적 모델을 개발한다. 모델은 월바키아가 특정 조건 하에서 모기 집단 내에서 지속될 수 있음을 예측하며, 반복적인 방출이 필요 없이 장기적인 말라리아 통제를 위한 자가유지 가능한 전략으로 유망하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 하이티에서 말라리아에 대비한 생물학적 제어제로 월바키아를 사용할 수 있는지 평가하기 위해 안오펠레스 모기에 대한 지속적 전파를 모델링한다.
• 안오펠레스 모기 집단 내에서 월바키아 지속 가능성에 영향을 미치는 핵심 생물학적 및 환경적 매개변수를 규명한다.
• 반복적인 방출 없이도 월바키아가 야생 모기 집단에서 높은 감염 빈도를 달성하고 유지할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 모기 생애 단계(알, 번데기, 번데기, 성충)를 거쳐 전파되는 월바키아 전파를 시뮬레이션하기 위해 결정론적, 밀도 의존적, 단계 구조 모델이 개발된다.
• 모델은 수직 전파 효율성, 감염된 모기의 적합도 비용, 밀도 의존적 생존율을 포함한다.
• 전염병 역학은 감염자 및 비감염자 모기 하위집단의 시간에 따른 변화를 추적하기 위해 상미분방정식(ODEs)을 사용하여 모델링된다.
• 모델의 매개변수 값은 아이디우스에서의 월바키아에 대한 기존 실험 데이터를 기반으로 하며, 데이터가 제한된 경우 안오펠레스로의 외삽을 수행한다.
• 핵심 매개변수의 월바키아 지속 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해 민감도 분석을 수행한다.
• 모델 시뮬레이션을 통해 다양한 방출 및 환경 시나리오 하에서 장기적인 월바키아 유병률을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 전파 및 적합도 비용 매개변수 조건 하에서 월바키아가 하이티의 안오펠레스 모기 집단에서 높은 유병률을 달성하고 유지할 수 있는가?
• RQ2 반복적인 방출 없이 월바키아가 지속되기 위해 필요한 수직 전파 효율성 및 적합도 비용의 임계 수준은 무엇인가?
• RQ3 밀도 의존적 생존 및 환경적 요인이 하이티에서 월바키아 기반 말라리아 통제 성공에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 설계 전략(예: 시기, 강도)이 야생 안오펠레스 모기 집단에서 월바키아 정착 가능성을 최대화하는가?

주요 결과

• 월바키아는 수직 전파 효율성이 90% 이상이고 적합도 비용이 15% 이하일 경우 안오펠레스 모기에 지속적인 전파를 달성할 수 있다.
• 전파 효율성이 95% 이상이고 적합도 비용이 최소일 경우, 장기간에 걸쳐 모기 집단 내에서 월바키아 감염 빈도가 80% 이상을 유지할 수 있다.
• 모델은 전파 효율성이 충분히 높을 경우 단일의 적절한 시기의 월바키아 감염 모기 방출이 장기적인 집단 대체를 이끌 수 있다고 예측한다.
• 밀도 의존적 생존은 특히 번데기 생존율이 높은 환경 조건에서 월바키아 지속 가능성의 가능성을 높인다.
• 민감도 분석 결과, 전파 효율성과 적합도 비용이 월바키아 성공 여부를 결정하는 가장 중요한 매개변수임을 확인했다.
• 모델은 월바키아 기반 통제가 하이티의 전통적 모기 통제 방법에 비해 지속 가능한 대안이 될 수 있으며, 특히 전파 강도가 높은 지역에서 효과적일 것으로 제안한다.