专家点评Nature | 奚志勇团队开发突破性新技术，或可应用于大幅清除蚊媒种群

点评 | 程功、蔡珍（清华大学医学院）

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昆虫不育技术 ( sterile insect technique ，SIT) 是指通过释放经辐射导致的绝育雄虫与野生雌虫交配，使其没有子代，从而降低靶标害虫的种群数量，运用该技术已经成功控制了多种重要农业害虫的数量【1】。一直以来，SIT在控制蚊虫的前景也在积极探索中，但尚未得到广泛应用，其原因在于辐射会降低雄蚊的交配竞争力和生存力。另一种有望替代SIT控制蚊虫的技术称为昆虫不相容技术 (incompatible insect technique，IIT)，通过释放携带与野生雌蚊不同沃尔巴克菌型 (Wolbachia) 的雄蚊，从而诱发胞质不相容 (CI) ，使雌蚊不育【2】。相比SIT，IIT的优势在于沃尔巴克菌对于雄蚊的竞争交配力和生存力基本没有影响。1962年，利用IIT首次成功地根除了一个小规模试验点的丝虫病传播媒介致倦库蚊 (Culex quinquefasciatus)【2】，然而该方法缺乏实操性，主要是因为意外释放携带与雄蚊相同Wolbachia菌型的雌蚊可能会导致种群替换，即携带Wolbachia菌的蚊种会替代野生种群，导致继续释放带菌雄蚊无法再发挥种群压制的效果。基于此，Curtis CF在1976年首次提出IIT-SIT相结合的理念来控制蚊虫，即利用低剂量辐射来使混在雄蚊中的少部分残存雌蚊绝育，而不影响雄蚊的交配竞争力和存活力【3】，但该方法的可行性一直未获得现场试验的证实。近10年来，由于在蚊宿主间人工转染Wolbachia技术的成功突破，IIT又重新引起人们的兴趣，并在2016首次报导了小规模现场试验释放人工转染Wolabchia的蚊株进行种群压制【4】。同时，应用人工转染Wolbachia蚊株，通过IIT-SIT相结合控制蚊媒的研究也开始重新启动，但尚未有大规模现场试验的报导。

白纹伊蚊 (Aedes albopictus) 在全球范围是一种最具有侵略性的入侵生物物种之一，同时也是登革热和寨卡病毒病的主要传播媒介，传统的化学消杀法对该蚊媒的控制效果不佳。与其它传播疾病的蚊虫不同，白纹伊蚊天然携带两种Wolbachia菌型 (wAlbA和wAlbB)【5】，使得建立基于Wolbachia的蚊虫种群压制策略具有挑战性。至今，已有多种人工建立携带不同Wolbachia菌型的白纹伊蚊【6-9】，包括先用抗生素将其体内天然携带的Wolbachia清除后再转入库蚊的Wolbachia wPip菌【10】，然而，这些蚊株均不适用于IIT，原因是其要么对宿主适应力负面影响大，或是没有抑制虫媒病毒能力，或其应用前景尚未完全确定。

2019年7月18日，来自中山大学热带病防治研究教育部重点实验室奚志勇教授（注1）团队在Nature杂志上以长文形式线上发表了题为Incompatible and sterile insect techniques combined eliminate mosquitoes的文章，通过现场试验证明了IIT-SIT相结合对蚊媒种群进行区域性控制的可行性。在本次研究中，奚志勇团队通过人工转染建立了携带三种Wolbachia菌型的白纹伊蚊HC蚊株，经大规模饲养至蛹期，雌雄分离后经射线照射使残存的雌蚊绝育，然后进行释放。经辐射的HC雌蚊完全绝育，无法在野外产生下一代，而对HC雄蚊的不育和交配竞争能力没有影响。经过2-3年持续释放HC雄蚊，在两个试验现场基本或接近清除了白纹伊蚊的种群数量。

奚志勇团队长期致力研发基于Wolabchia策略控制蚊媒，2005和2013年在全球范围首次分别在实验室中成功建立了携带Wolabchia新型共生关系的埃及伊蚊 (Aedes aegypti) 【11】和斯氏按蚊 (Anopheles stephensi) 【12】蚊株，并各自发文在Science杂志，开启了基于Wolabchia策略控制登革热和疟疾的新篇章。此次进一步研究发现联合IIT-SIT基本清除了蚊虫种群数量，验证该技术对蚊媒区域性控制的可行性，是热带病蚊媒生物防治领域的又一次重大成果，该研究成果将对全球热带蚊媒病的防控预计将产生深远影响。

作者首先通过胚胎显微注射技术，将库蚊体内的Wolbachia wPip转移到白纹伊蚊体内，建立了携带三种Wolbachia菌型的白纹伊蚊HC蚊株。HC雄蚊与野生雌蚊交配后，使雌蚊产下的卵完全不孵化。为了确定转染wPip后对宿主的影响，作者通过设计交配竞争实验来比较HC雄蚊与野生雄蚊竞争交配野生雌蚊的能力，发现HC雄蚊的交配竞争力与野生雄蚊相当。在作者前期的研究中发现低剂量的照射HC雌蛹，可以使羽化后HC雌蚊完全绝育【13】。因此，为了验证IIT-SIT在实际运用中控制白纹伊蚊的可行性，作者设计了模拟半现场的种群压制试验。结果表明，通过持续释放经低剂量辐射的HC雄蚊，混入2%的经辐射HC雌蚊，可以在半现场条件下清除野生种群数量，并且成功阻止种群替换的发生。

为了进一步管控种群替换的风险和保证现场试验的生物安全，作者检测了用于释放的HC蚊株是否具有抑制虫媒病毒的能力，通过经口感染实验，发现HC雌蚊具有拮抗寨卡病毒和登革II病毒的能力，不仅如此，HC雌蚊还可以阻断寨卡病毒通过蚊媒的水平和垂直传播。

基于以上实验室的成功数据，为了验证IIT-SIT在野外是否具有相同的效果，作者在中国广州选择了两个相对隔离的试验点进行蚊虫种群控制。释放HC雄蚊前，通过一年的野外蚊媒本底调查发现处理区和对照区的野生种群数量没有差异。通过优化HC蚊虫的大规模饲养，作者于2015年和2016年分别开始在试验点1和试验点2同时释放HC雄蚊。经过2-3年的持续释放，与对照区相比，基本清除了两个野外试验点的野生蚊虫种群。在2016和2017年，野生成蚊数量年度平均减少了83%-94%，且在长达6周内检测不到任何成蚊；野生幼虫数量年度平均减少了超过94%，且13周未监测到存活的蚊卵。基于压制后蚊媒的时空分布特征和种群遗传学分析【14】，作者推测试验点存在的少部分蚊虫是来自于非释放区野生蚊虫的迁入。在隔离程度较高的区域，野生蚊虫种群压制效率最高，如2017年，在试验点2的2-3区，共监测37周，超过29周没有检出蚊子；而在隔离程度较弱的区域，压制效率较低，这些均提示人类活动会促使蚊虫迁移到释放点，从而影响压制效率。同时，作者对试验区收集的幼虫进行严格持续性监控，并没有发现种群替换的情况发生。

进一步的人工诱捕雌蚊法表明试验点的叮咬率与对照相比，试验点1和2平均分别下降了96.6%和88.7%。叮咬率的下降，进一步提升了居民对控蚊试验的支持。

基于以上结果，作者认为IIT-SIT相结合是一种安全有效的蚊虫控制方法，并且在野外运用中可以有效的控制，甚至根除蚊虫的种群数量，从而降低蚊媒传播疾病的流行。

注1：本研究是在多方资助下经过长达7年的实验室和现场试验而完成的。研究成果被世界卫生组织和国际原子能机构等联合国机构认可并向全球成员国推荐。同时，奚志勇团队于2016年获得美国国际开发署资助在墨西哥建立了第一个海外蚊子工厂以防控寨卡在拉美的流行。为配合完成基于沃尔巴克菌策略的白纹伊蚊种群压制现场试验的研究，与中山大学、国际原子能机构合作建立了蚊虫大规模生产平台，已成为目前世界上最大的绝育蚊生产基地，该基地正成为亚洲及全球绝育蚊技术培训及技术输出的中心。

专家点评

程功（清华大学医学院、教授，国家杰青）、蔡珍（清华大学医学院、博士）

蚊媒病毒传染病是由蚊子叮咬传播给人类及动物宿主的一类烈性疾病，有数百种之多。近些年来，多种蚊媒病毒传染病，包括登革热、寨卡热、西尼罗脑炎、乙型脑炎等，对人类健康产生严重威胁，研究蚊媒病毒的防控方法对于疾病的防治非常重要。给宿主接种疫苗或服用药物是防控蚊媒病毒传染病的重要方法，但疫苗及药物的研发周期长，工作难度大，种类无法覆盖所有蚊媒病毒。因此，通过降低蚊虫种群数量来阻断病毒传播途径是蚊媒病毒防治的根本方法之一。

在该研究中，中山大学奚志勇教授团队联合国际原子能机构、广州威佰昆生物科技有限公司、美国密歇根州立大学、湖南师范大学、广州市疾病预防控制中心、广州大学、南京农业大学、中国疾病预防控制中心、墨尔本大学等单位将两种昆虫防治技术结合起来，发明了昆虫不育-不相容技术IIT-SIT，利用这一新的技术，成功地接近清除了登革病毒、寨卡病毒传播媒介--白纹伊蚊在野外现场的种群。

蚊虫的防控技术包括化学及生物防控，化学防控是指大规模使用化学杀虫剂，如DDT，直接杀灭蚊虫，这一方法导致了蚊虫耐药性及环境污染。生物防控方法是利用杀虫微生物，如苏云金芽孢杆菌BT、真菌直接杀灭蚊虫，然而这一方法的效率较低。近些年昆虫不育技术为蚊虫防治提供了新的思路。一种是基于辐射的昆虫不育技术（The radiation-based sterile insect technique, SIT），这一技术指的是对雄性蚊虫进行射线辐射，诱导其产生不育雄性蚊虫，不育雄蚊与自然界中雌蚊交配，使后代无法发育。另一种是昆虫不相容技术（Incompatible Insect Technique, IIT），这一技术利用的是一种胞内共生菌沃尔巴克氏体Wolbachia，通过向自然界释放携带新型Wolbachia的雄蚊，使其与自然界的雌蚊交配，产下无法发育的卵，进而减少蚊虫数量。然而，当自然界中雌蚊感染了与雄蚊同一种类型的Wolbachia后，IIT技术将无法正常发挥其对蚊虫的防控功能。

自然界中的白纹伊蚊携带两种Wolbachia，wAlbA 和wAlbB。研究人员首先采用人工胚胎注射的方式，将来自骚扰库蚊中的另一种Wolbachia（wPip），转移到白纹伊蚊蚊早期胚胎中，获得了一种新的携带三种Wolbachia菌型（wAlbA 、wAlbB和 wPip）的白纹伊蚊虫株HC。wPip的引入显著性地降低了HC雌蚊水平及垂直传播登革病毒、寨卡病毒的能力，这也表明白纹伊蚊HC虫株可非常安全地用于蚊虫防控。为了减少在释放HC雄蚊过程中少量混杂的HC雌蚊将wPip引入到野生型白纹伊蚊群体中的风险，研究人员又采取了SIT技术，对雌雄分离后的HC蚊蛹进行低剂量的辐射，使混杂在雄蚊中的少量残存HC雌蚊失去繁殖能力，切断wPip随HC雌蚊传播到子代蚊子的途径，同时又不影响HC雄蚊的交配能力。随后，研究团队在广州选取了两个独立的地区进行开放式的野外实验，验证IIT-SIT技术对消灭野外白纹伊蚊的效果。野外实验在广州的蚊季（3月-11月）每周释放三次HC雄蚊，使HC雄蚊与野生雄蚊比例在现场维持在至少5：1，持续2-3年，每周通过捕获点监测白纹伊蚊的数量及卵孵化率。以试验点1为例，首先在该试验点释放HC雄蚊，因早期不育雄蚊产量不足，最终导致55%的白纹伊蚊数量被压制，然后在接下来的2年中，因射线加入，使得产能效率提升，释放足够数量经射线照射的HC雄蚊（IIT-SIT相结合），结果表明白纹伊蚊的孵化的幼虫数年度平均降低降低了超过94%，其中超过13周完全没有卵孵出，同时，野生型雌蚊成蚊数量年度平均降低83%-94%，其中超过6周没有检测到任何雌蚊。

该工作表明，通过在野外释放经IIT-SIT技术改造的HC雄蚊能有效控制野外白纹伊蚊的数量。该工作是本领域里程碑式的工作，作为一种高效的环境友好型技术，IIT-SIT技术将为昆虫防控领域提供新的指导。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1407-9

制版人：珂

参考文献

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