Vector-borne Disease Risk Assessment in Times of Climate Change: The Ecology of Vectors and Pathogens

Titelangaben

Thomas, Stephanie:
Vector-borne Disease Risk Assessment in Times of Climate Change: The Ecology of Vectors and Pathogens.
Bayreuth , 2014 . - 298 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Evidence suggests that European climate change in the 21st century will support a spread of disease vectors and vector-borne diseases. Ectothermic arthropods make up the largest group of vectors. They usually cannot self-regulate their body temperatures and are therefore considered to be very sensitive to changing climatic conditions. The duration of pathogen development inside the vector is also directly linked to the ambient temperature. This thesis addresses a multidisciplinary approach to improve risk assessment for vector species establishment and pathogen emergence based on ecological knowledge. The objective is to elucidate possible new hotspots of disease transmission. In the first part of the thesis (articles 1 to 3), climatic factors for disease vectors are identified via literature analysis, statistical procedures in species distribution models, and vector life history trade experiments. Of particular interest here, is the mosquito Aedes albopictus is an invasive disease vector which originates in the tropics and subtropics, it is a competent vector of pathogens such as dengue and chikungunya, among others. By means of correlative species distribution models, suitable European regions are identified. The comparison of published results for various Aedes albopictus risk models, including the aforementioned, shows that beside the regions for which there are a consensus risk levels, there is a great deal of uncertainty in other regions about the future development. These uncertainties in risk model projections indicate that existing knowledge of mosquito ecology needs to be expanded and deepened, in particular with regard to the temperate European situation. The second step was therefore, the integration of detailed ecological knowledge on thresholds during vector life history to improve the correlative risk models. Here, of special interest is the ability of Aedes albopictus to survive winter conditions in Europe, as in its native range no frost temperatures occur. Here, the low-temperature threshold for egg survival was experimentally tested for post-diapause and non-diapause European eggs of Aedes albopictus and non-diapausing eggs of Aedes aegypti. Hatching success after the cold treatment was significantly increased in European eggs which have undergone a diapause compared to non-diapausing European eggs. The experiments help to detect potential regions capable of overwintering populations. Thresholds for survival can be derived by simulating extremes, which then can be related to climate change scenarios. In the second part of the thesis (articles 4 to 6), climatic factors for pathogens are identified. Using the example of dengue, the temperature requirement for pathogen amplification is determined via statistical analysis of extrinsic incubation period experiments found in literature. The extrinsic incubation period is the time at a defined temperature needed to render the vector infective after a contaminated blood meal. Out of all described dengue extrinsic incubation period experiments a continuous temperature-time profile is provided which allows, via highly resolved spatio-temporal climate change projections, a detailed characterization of potential regions at risk in Europe. A second approach, demonstrated with the example of chikungunya is the analysis of temperature requirement for disease transmission during an outbreak. Once these climatic factors are identified, climate-derived risk maps are generated by combining vector and pathogen requirements. As a general tendency for Europe, it can be expected that the risk of Aedes albopictus establishment and vector-borne virus transmission will increase, especially for the latter decades of the 21st century. Concerning the evolving climatic suitability for Aedes albopictus, it can be inferred that Western Europe will provide especially favourable climatic conditions within the next decades. Furthermore, climatic suitability can be expected to increase in Central Europe and the southernmost parts of the United Kingdom. Climatic conditions will continue to be suitable in Southern France, as well as most parts of Italy and Mediterranean coastal regions in South-eastern Europe. Differences in results for scenarios become obvious, regarding the temporal scale in this century, but the spatial patterns remain the same. The climatic risk of chikungunya transmission will increase in Europe by the end of the century along the western coast of the Mediterranean Balkan States and Greece as well as in the Pannonian Basin and the Black Sea coast of Turkey. A persisting high suitability for Chikungunya transmission throughout the 21st century is projected for Northern Italy. Finally, emerging tools and concepts are elucidated (article 7) by the means of specific examples in order to identify new multidisciplinary approaches in vector-borne disease risk assessment. However, this is difficult to achieve as scientists are part of special¬ised and mostly discrete scientific networks, it is necessary that results from other disciplines are understood and considered. To give a first impression of the current scientific cooperation, discipline specific citation behaviour for research on vector-borne diseases with respect to climate change is evaluated. This thesis offers an ecologically focused evaluation of the spatially and temporally changing risk patterns of invasive vector establishment and emerging disease exposure for Europe during the 21st century. Disease surveillance and vector control measures can now be implemented effectively at locations and times to mitigate possible transmission.

Abstract in weiterer Sprache

Viele Hinweise deuten darauf hin, dass sich Krankheitsvektoren (Krankheitsüberträger) und die von ihnen übertragenen Krankheiten aufgrund der sich verändernden klimatischen Bedingungen im Europa des 21. Jh. neu etablieren oder ausbreiten können. Die größte Gruppe der Krankheitsvektoren bilden die ektothermen Arthropoden. Diese können ihre Körpertemperatur meist nicht selbst regeln und werden daher als besonders sensibel gegenüber sich ändernden klimatischen Bedingungen angesehen. Auch die Dauer der Entwicklung des Pathogens im Vektor ist direkt an die Umgebungstemperatur geknüpft. Ausgehend von diesen Überlegungen, sollen in der vorliegenden Doktorarbeit ökologische Kenntnisse in die Risikoanalyse für die Etablierung von Vektoren und die Übertragung von Pathogenen einbezogen werden. Ziel ist es, mögliche neue Hotspots vektor-übertragener Krankheiten in Europa zu identifizieren. Im ersten Teil der Arbeit (Artikel 1 bis 3) werden die klimatischen Faktoren analysiert, die die Krankheitsvektoren beeinflussen. Dies geschieht durch Literaturanalyse, statistische Verfahren der bioklimatischen Nischenmodelle und Experimenten zu klimarelevanten biologisch-ökologischen Eigenschaften der Vektoren. Von besonderem Interesse ist hier die Asiatische Tigermücke (Aedes albopictus), die ursprünglich in den Tropen und Subtropen beheimatet ist und innerhalb von nur 30 Jahren auf allen Kontinenten der Welt mit Ausnahme der Antarktis zu finden ist. Diese Stechmücke ist, neben einer Vielzahl weiterer Humanpathogene, kompetenter Vektor des Dengue- und Chikungunyavirus. Mit Hilfe der bioklimatischen Nischenmodelle werden klimatisch geeignete Gebiete Europas identifiziert. Vergleicht man diese Ergebnisse mit den Ergebnissen weiterer veröffentlichter Risikoanalysen für die Etablierung der Asiatischen Tigermücke in Europa, zeigt sich, dass einige Gebiete über alle Untersuchungen hinweg eine weiter bestehende oder sich neu entwickelte klimatische Eignung aufzeigen, in anderen Gebieten hingegen werden große Unsicherheiten bezüglich der zukünftigen Entwicklung deutlich. Diese Unsicherheiten in der Risikoanalyse legen nahe, dass bisheriges ökologisches Wissen zu den krankheitsübertragenden Stechmücken gerade im Hinblick auf die Situation in temperaten Gebieten erweitert und vertieft werden muss. In einem zweiten Schritt werden daher Grenzwerte ökologischer Eigenschaften der Art in die korrelative Risikoanalyse integriert. Von speziellem Interesse ist hier die Überlebensfähigkeit im Winter, da die Art im ursprünglichen Verbreitungsgebiet keine Frosttemperaturen ertragen muss. Die Überlebensfähigkeit bei verschiedenen Frosttemperaturen über verschiedene Zeiträume hinweg wird für post-diapause Eier von Aedes albopictus europäischer Herkunft und solche, die keine Diapause durchlaufen haben experimentell getestet. Außerdem wird Aedes aegypti (Gelbfiebermücke) tropischer Herkunft zum Vergleich in die Experimente eingebunden. Der Schlupferfolg nach der Kältebehandlung ist in den europäischen Mückeneiern, die eine Diapause durchlaufen haben, signifikant erhöht gegenüber denen, die keine durchlaufen haben. Diese Experimente unterstützen die Identifizierung von Risikogebieten, in denen die Überwinterung von Aedes Populationen und damit eine langfristige Etablierung möglich wäre, indem die Grenzwerte der Überlebensfähigkeit mit Hilfe zeitlich hochaufgelöster Klimadaten unter Nutzung verschiedener Klimaszenarien europaweit projiziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit (Artikel 4 bis 6) werden klimatische Faktoren bei der Übertragung von Pathogenen näher betrachtet. Am Beispiel von Dengue werden alle in der Literatur beschriebenen Experimente zur Extrinsischen Inkubationsperiode ausgewertet, um die Temperaturabhängigkeit der Virusamplifizierung im Vektor bestimmen zu können. Die Extrinsische Inkubationsperiode ist die Zeit nach einem Blutmahl, die das Virus im Vektor bei einer bestimmten Temperatur für die Amplifizierung benötigt, so dass der Vektor seinerseits wieder einen Wirt infizieren kann. Aus allen verfügbaren publizierten Daten wird ein kontinuierliches Temperatur-Zeit-Profil erstellt. Mithilfe raum-zeitlich sehr hoch aufgelöster Klimadaten können so potentielle Dengue Risikogebiete in Europa aufzeigt werden. In einem zweiten Ansatz werden am Beispiel von Chikungunya die Temperaturverhältnisse während eines Krankheitsausbruchs für die Risikoanalyse genutzt. Sind die klimatischen Faktoren sowohl für Vektor als auch Pathogen bekannt, können diese für die detaillierte räumliche und zeitliche Projektion von Risikogebieten kombiniert werden. Für Europa wird erwartet, dass Ende dieses Jahrhunderts das Risiko für die Etablierung von Aedes albopictus und die damit verbundene Übertragung von Viruserkrankungen zunimmt. Bereits in den nächsten Dekaden werden vor allem West- und Zentraleuropa und die südlichsten Bereiche Großbritanniens zunehmend Gebiete klimatischer Eignung für den Vektor aufweisen. Auch weiterhin als klimatisch günstig gelten Südfrankreich, große Teile Italiens und die südosteuropäischen Küstenregionen des Mittelmeeres. Zwar unterscheiden sich die Projektionen verschiedener Klimaszenarien im zeitlichen Ablauf der Risikoeinstufung, die räumlichen Muster jedoch bleiben gleich. Das Risiko der Chikungunya-Übertragung steigt gegen Ende des Jahrhunderts an den westlichen Mittelmeerküsten der Balkanstaaten und Griechenlands, außerdem im Pannonischen Becken und an der türkischen Schwarzmeerküste. Eine durchgehend hohe klimatische Eignung für die Übertragung von Chikungunya über das gesamte 21. Jh. hinweg zeigt sich in Norditalien. Abschließend werden anhand spezieller Beispiele neue Konzepte vorgestellt (Artikel 7), die durch ihre mulitdisziplinäre Vorgehensweise die Risikoanalyse im Bereich der Vektoren und vektor-übertragenen Krankheiten unterstützen können. Es ist jedoch schwierig, das Wissen verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen zusammenzuführen, gerade weil Wissenschaftler Teil sehr spezialisierter Netzwerke sind. Um einen ersten Eindruck des aktuellen wissenschaftlichen Austausches zu erhalten, wird das Zitationsverhalten einzelner Wissenschaftsdisziplinen im Bereich vektor-übertragener Krankheiten in Zeiten des Klimawandels ausgewertet. Die Bedeutung der vorliegenden Arbeit liegt in der Einbindung ökologischen Wissens in die geographisch expliziten und sich zeitlich ändernden Muster bestehender Risiken für die Ansiedlung invasiver Vektoren und das damit verbundene mögliche Auftreten von Infektionskrankheiten im Europa des 21. Jh.. Maßnahmen der Krankheitsüberwachung und der Vektorkontrolle können so zeitlich und räumlich effektiv eingesetzt werden, um mögliche Krankheitsübertragungen zu vermeiden.