[논문 리뷰] On the use of the sterile insect technique or the incompatible insect technique to reduce or eliminate mosquito populations

Martin Strugarek, Hervé Bossin외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 25.

Insect symbiosis and bacterial influences참고 문헌 27인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 아이埃데스 모기 개체군을 제거하기 위해 불임 모기 기법(SIT)과 불일치 모기 기법(IIT)을 분석하기 위해 이분기 수학 모델을 개발한다. 알레 효과와 일정/주기적 수컷 방출을 고려한 개체군 역학을 모델링하여, 개체군 멸종을 위한 분석적 조건과 최소 치료 시간을 유도하며, 실제 아이에데스 폴리네시엔시스의 자료를 사용한 수치 시뮬레이션으로 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• SIT/IIT 기반의 아이에데스 모기 개체군 제거를 위한 최소화된, 분할형 수학 모델을 개발한다.
• SIT/IIT를 통한 개체군 멸종 성공에 결정적인 영향을 미치는 핵심 생물학적 매개변수를 규명한다.
• 일정, 주기적, 급작스러운(임펄스형) 방출 전략에 따라 개체군 멸종을 위한 필요 및 충분 조건을 규명한다.
• 실제 현장 상황에서 성공적인 멸종을 위해 필요한 최소 치료 기간과 방출 강도를 추정한다.
• 이론적 및 수치 분석 기반으로 효율적이고 현장 적용이 가능한 방출 프rotocol 설계를 위한 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 아이에데스 모기의 알레 효과와 밀도에 따라 변화하는 개체군 역학을 포함한 단조 증가 동역학 시스템 모델을 수립한다.
• 초기 조건과 방출 매개변수에 따라 개체군 멸종 또는 지속이 가능한 이분기 시스템을 도입한다.
• 시스템의 고유값과 안정성 분석을 이용해 멸종 영역에 진입하는 데 소요되는 시간에 대한 분석적 부등식을 유도한다.
• 제어 이론을 모델에 적용하여, 외부 입력으로서의 방출 항목을 포함함으로써 일정, 주기적, 임펄스형 방출 전략을 분석할 수 있도록 한다.
• 실제 생물학적 파rameter 추정치(아이에데스 폴리네시엔시스에서 유래)를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.
• 계란, 암컷, 수컷 개체군 궤적에 대한 渐近적 경계와 지수 감쇠 추정치를 활용하여 최소 치료 기간을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIT 또는 IIT를 사용해 아이에데스 모기 개체군을 완전히 제거하기 위한 필수 및 충분 조건은 무엇인가?
• RQ2 일정, 주기적, 임펄스형 등 다양한 방출 전략은 멸종까지 소요되는 시간과 필요한 방출 노력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 개체군 멸종을 확보하기 위해 필요한 최소 치료 기간은 무엇이며, 생물학적 매개변수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 SIT/IIT 성공에 가장 크게 영향을 미치는 생물학적 매개변수는 무엇이며, 이를 향후 현장 조사에서 우선적으로 다뤄야 하는가?
• RQ5 방출 단계 동안 계란, 암컷, 수컷 개체군의 역학은 어떻게 상호작용하는가? 그리고 어느 구획이 멸종에 가장 핵심적인가?

주요 결과

• 모델은 이분기 역학을 나타내며, 개체군 멸종 또는 지속 여부가 초기 조건과 방출 강도에 의해 결정된다.
• 멸종을 위한 필수 조건은 방출 속도가 시스템 고유값과 알레 효과 매개변수로부터 유도된 임계값을 초과해야 한다는 것이다.
• 멸종을 위한 최소 치료 시간은 개체군 크기와 방출 효율성의 비율 로그를 포함한 표현식으로 아래에서 경계되며, 각 개체군 구획에 대해 명시적 공식이 도출되었다.
• 수컷 생존 기간이 짧을 경우 멸종까지 소요되는 시간은 수컷 개체군 역학에 가장 민감하며, 고수컷 사망률 조건에서는 최소 치료 시간이 수컷 구획에 의해 지배된다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 필요한 치료 시간은 初기 개체군 크기와 방출 효율성의 역수에 대해 로그 스케일링을 보인다.
• 모델은 수컷 수명, 계란 및 암컷 생존율, 월바키아에 의한 세포질 불일치 효율성 등의 매개변수가 성공에 결정적인 영향을 미치며, 이를 현장 연구에서 우선적으로 다뤄야 한다고 규명한다.