[論文レビュー] Evaluation of Zika Vector Control Strategies Using Agent-Based Modeling

Chathika Gunaratne, Mustafa İlhan Akbaş+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2016

Mosquito-borne diseases and control参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、キーウェスト（フロリダ）におけるアヌフェス・アイギプティ・モスキトの個体群動態を、空間的要因（衛星画像からの植生、住宅、発生所）および気候的要因（月次温度）を組み込んだエージェントベースモデルを用いてシミュレーションした。WolbachiaおよびRIDLのベクター制御戦略を評価した結果、Wolbachia感染はリリース後2年間で11％のシミュレーションで持続したが、RIDLは致死遺伝子の非継承のため、個体群抑制が持続しなかった。

ABSTRACT

Aedes Aegypti is the vector of several deadly diseases, including Zika. Effective and sustainable vector control measures must be deployed to keep A. aegypti numbers under control. The distribution of A. Aegypti is subject to spatial and climatic constraints. Using agent-based modeling, we model the population dynamics of A. aegypti subjected to the spatial and climatic constraints of a neighborhood in the Key West. Satellite imagery was used to identify vegetation, houses (CO2 zones) both critical to the mosquito lifecycle. The model replicates the seasonal fluctuation of adult population sampled through field studies and approximates the population at a high of 986 (95% CI: [979, 993]) females and 1031 (95% CI: [1024, 1039]) males in the fall and a low of 316 (95% CI: [313, 319]) females and 333 (95% CI: [330, 336]) males during the winter. We then simulate two biological vector control strategies: 1) Wolbachia infection and 2) Release of Insects carrying a Dominant Lethal gene (RIDL). Our results support the probability of sustained Wolbachia infection within the population for two years after the year of release. egies, our approach provides a realistic simulation environment consisting of male and female Aedes aegypti, breeding spots, vegetation and CO2 sources.

研究の動機と目的

• 空間的および気候的制約下における住宅地域におけるアヌフェス・アイギプティ個体群動態の現実的でエージェントベースのモデルの構築。
• Wolbachia感染およびRIDL遺伝子リリース戦略の長期的持続可能性が、アヌフェス・アイギプティ個体群の削減に与える影響の評価。
• 発生所および宿主の位置の空間的分布が、生物学的ベクター制御法の成功に与える影響の評価。
• 実世界の状況において、遺伝子改変モスキトのリリース量および頻度を最適化するためのシミュレーションフレームワークの提供。

提案手法

• エージェントベースモデルは、性別に応じた行動、ライフサイクル、環境条件への反応を有する個々のアヌフェス・アイギプティ・モスキトをシミュレーションする。
• 衛星画像を処理して、住宅（CO2ゾーン）、植生、発生所の空間的分布を特定し、生息地制約を定義する。
• キーウェストの月次温度変動を、発生段階全体における発達速度、生存率、死亡率に影響を与える気候的駆動要因として統合する。
• WolbachiaおよびRIDLリリース戦略は、オーストラリアおよびカイマン諸島の現地試験パラメータを用いてモデル化する。
• 3年間のシミュレーションを実行し、各戦略について90回の独立したランを実施して統計的妥当性および長期的結果を評価する。
• 個体群動態は、女性成虫が316～986の間で季節的変動を示すフィールドデータと照合して検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的および気候的制約を用いたエージェントベースモデルは、キーウェストにおけるアヌフェス・アイギプティ個体群の季節的変動を正確に再現できるか？
• RQ2 単一のリリースキャンペーン後、アヌフェス・アイギプティ個体群におけるWolbachia感染の長期的持続性はどの程度か？
• RQ3 RIDL戦略は、時間経過とともにアヌフェス・アイギプティ個体群をどの程度抑制できるか？リリース終了後も効果は持続するか？
• RQ4 発生所および宿主の位置の空間的配置は、Wolbachiaベースの個体群置換の成功にどのように影響するか？
• RQ5 WolbachiaまたはRIDL戦略を用いて持続的な個体群抑制を達成するには、どの程度のリリース量および頻度が必要か？

主な発見

• モデルは季節的個体群変動を成功裏に再現し、秋に女性成虫のピークが986（95％信頼区間：[979, 993]）に達し、冬に最低で316（95％信頼区間：[313, 319]）に低下した。
• Wolbachia感染はリリース期間終了後2年間以上にわたり11％のシミュレーションで持続した。これは長期的個体群置換の可能性を示している。
• 致死遺伝子を有するモスキトの数は、リリース終了と同時にゼロに低下した。これは遺伝子の非継承および抑制効果の持続不能性を確認した。
• 発生所の空間的配置は、Wolbachia感染の確立に影響を与える主要な不確実要因であると特定され、標的リリース戦略の改善が有効である可能性を示唆した。
• モデルは、Wolbachiaに感染したモスキトが、モスキト数が少ない季節であっても感染を維持できることを示した。一方、RIDLは効果を維持できなかった。
• このシミュレーションフレームワークにより、異なる地理的場所および環境条件下でのリリース戦略の最適化のための強力な「仮説検証分析」が可能になった。