[论文解读] 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 6

一句话总结

本文建立了一个双稳态数学模型，用于分析利用Sterile Insect Technique（SIT）和Incompatible Insect Technique（IIT）根除Aedes蚊子种群的方法。通过引入Allee效应和恒定/周期性释放雄蚊的种群动态模型，推导出种群灭绝的解析条件及最小处理时间，并利用来自*Aedes polynesiensis*的真实世界参数进行数值模拟验证。

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.

研究动机与目标

• 开发一个最小化、分 compartment 的数学模型，用于基于SIT/IIT的Aedes蚊子种群根除。
• 识别对SIT/IIT种群根除成功具有关键影响的关键生物学参数。
• 确定在不同释放策略（恒定、周期性、脉冲式）下实现种群灭绝的必要与充分条件。
• 估算在现实场景中实现成功根除所需的最小处理时长与释放强度。
• 基于理论与数值分析，提供设计高效、可现场部署的释放方案的框架。

提出的方法

• 构建一个单调动力系统模型，整合Aedes蚊子中的Allee效应与密度依赖性种群动态。
• 引入一个双稳态系统，其中种群灭绝与持续共存的可能性并存，取决于初始条件与释放参数。
• 通过系统的特征值与稳定性分析，推导出进入灭绝区域所需时间的解析不等式。
• 通过将释放项作为外部输入引入控制理论方法，分析恒定、周期性与脉冲式释放策略。
• 利用基于*Aedes polynesiensis*的生物学参数估计值进行数值模拟，验证分析结果。
• 采用渐近界与指数衰减估计，对卵、雌蚊与雄蚊种群轨迹进行分析，推导出最小处理时长。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用SIT或IIT实现Aedes蚊子种群完全根除的必要与充分条件是什么？
• RQ2 不同的释放策略（恒定、周期性、脉冲式）如何影响灭绝时间与所需释放工作量？
• RQ3 确保种群根除所需的最小处理时长是多少？其如何依赖于生物学参数？
• RQ4 哪些生物学参数对SIT/IIT的成功影响最大，因而需要在实地研究中优先关注？
• RQ5 在释放阶段，卵、雌蚊与雄蚊种群的动态如何相互作用？哪个种群组分对灭绝最为关键？

主要发现

• 该模型表现出双稳态动力学，即种群是否灭绝关键取决于初始条件与释放强度。
• 灭绝的必要条件是释放速率超过由系统特征值与Allee效应参数决定的阈值。
• 灭绝的最小处理时间由涉及种群大小与释放效率比值对数的表达式下界限定，各种群组分均推导出明确公式。
• 当雄蚊寿命较短时，灭绝时间对雄蚊种群动态最敏感，且在高雄蚊死亡率下，最小处理时间主要由雄蚊组分决定。
• 数值模拟表明，所需处理时间与初始种群大小及释放效率的倒数呈对数关系。
• 该模型识别出，雄蚊寿命、卵与雌蚊存活率，以及Wolbachia诱导的细胞质不相容性效率等参数是决定成败的关键因素，应在实地研究中优先关注。