[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究开发了一项数学模型，以评估沃尔巴克氏体在海地疟疾主要传播媒介——按蚊中的持续垂直传播潜力。模型预测，在特定条件下，沃尔巴克氏体可在蚊子种群中持续存在，为海地提供一种无需持续释放的、可自我维持的长期疟疾控制策略。

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.

研究动机与目标

• 通过模拟沃尔巴克氏体在按蚊中的持续传播，评估其作为生物控制剂在海地控制疟疾的可行性。
• 识别影响沃尔巴克氏体在按蚊种群中持续存在的关键生物学和环境参数。
• 评估沃尔巴克氏体是否能在无需重复释放的情况下，在野生按蚊种群中实现并维持高感染频率。

提出的方法

• 开发了一种确定性、密度依赖性、阶段结构化的数学模型，以模拟沃尔巴克氏体在蚊子生命周期各阶段（卵、幼虫、蛹、成虫）的传播。
• 模型整合了垂直传播效率、感染蚊子的适合度成本以及密度依赖的存活率。
• 使用常微分方程（ODEs）对传播动力学进行建模，以追踪感染与未感染蚊子亚群随时间的变化。
• 参数值基于对埃及伊蚊中沃尔巴克氏体的现有实验数据，必要时在数据有限时外推至按蚊。
• 进行敏感性分析，以评估关键参数对沃尔巴克氏体持续存在的影响。
• 利用模型模拟预测在不同释放和环境情景下，沃尔巴克氏体的长期流行程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现实的传播和适合度成本参数下，沃尔巴克氏体是否能在海地的按蚊种群中实现并维持高流行度？
• RQ2 沃尔巴克氏体在无需持续释放的情况下实现持久存在的垂直传播效率和适合度成本的临界阈值是多少？
• RQ3 密度依赖性存活率和环境因素如何影响基于沃尔巴克氏体的疟疾控制在海地的成功？
• RQ4 何种释放策略（如时机、强度）最能提高沃尔巴克氏体在野生按蚊种群中定植的概率？

主要发现

• 当垂直传播效率超过90%，且适合度成本低于15%时，沃尔巴克氏体可在按蚊中实现持续传播。
• 当传播效率高于95%且适合度成本极低时，可长期维持蚊子种群中超过80%的沃尔巴克氏体感染水平。
• 模型预测，若传播效率足够高，单次精准时机的沃尔巴克氏体感染蚊子释放即可实现长期种群替代。
• 密度依赖性存活率可提高沃尔巴克氏体持续存在的可能性，尤其在有利于幼虫存活的环境条件下。
• 敏感性分析表明，传播效率和适合度成本是决定沃尔巴克氏体成功与否的最关键参数。
• 模型表明，基于沃尔巴克氏体的控制方法可成为海地传统虫媒控制的可持续替代方案，尤其在传播强度较高的地区。