宿主群落空间结构、蚊虫聚集行为与媒介宿主选择对人兽共患蚊媒病毒传播的影响

《PLOS Pathogens》：The impacts of host community composition, clustering and vector host choice on zoonotic mosquito-borne virus transmission

　　

： 人兽共患蚊媒病毒（zoonotic mosquito-borne viruses），包括西尼罗病毒（West Nile virus）、裂谷热病毒（Rift Valley fever virus）和日本脑炎病毒（Japanese encephalitis virus），在部分国家构成重大公共卫生负担，其传播涉及多种媒介与宿主物种之间的复杂相互作用，从而增加了防控难度。尽管已知宿主群落组成会影响传播，但宿主群落结构结合蚊虫聚集行为的作用仍未得到充分理解。受进一步理解日本脑炎病毒潜在传播途径及其在牛（死端宿主，dead-end hosts）占群落主导地位的环境中持续存在的驱动因素所启发，研究人员开发了一个斑块模型（patch model），其中宿主分布及由此产生的蚊虫叮咬在斑块间的分配在每次模拟中保持固定。该框架表征了蚊虫宿主搜寻的两个尺度：朝向宿主密集斑块的长程聚集，以及由局部宿主可得性和内在媒介偏好决定的短程宿主物种选择。利用该模型，假设媒介偏好死端宿主（在与其他宿主同等可选时，90%的情况下选择死端宿主），研究人员探讨了宿主聚集、斑块破碎化及蚊虫聚集强度对基本再生数（basic reproduction number, R0）的潜在影响。研究结果表明，相同的宿主群落因其分布方式及蚊虫聚集水平的不同，可产生截然不同的传播结局。在媒介偏好死端宿主的情况下，若易感宿主（competent hosts）呈聚集分布且蚊虫聚集强烈，则传播可能相较于宿主与媒介均匀分布的情形被放大；若死端宿主呈聚集分布，则蚊虫聚集于死端宿主占主导的斑块，传播可能被稀释。破碎化效应具有情境依赖性：当易感宿主聚集且蚊虫聚集时，增加斑块数量会提高传播；当死端宿主聚集且蚊虫聚集强烈时，增加斑块数量则降低传播。这些发现强调，宿主-媒介相互作用的局部空间情境差异可导致疾病风险的差异。因此，基于局部信息的监测和针对性干预措施对于预防人兽共患蚊媒病毒暴发可能具有重要意义。

论文解读

一、研究背景与问题

人兽共患蚊媒病毒（zoonotic mosquito-borne viruses）是一类以蚊虫为传播媒介、在多种脊椎动物宿主间循环传播的病原体，其中至少21种可引起人类疾病，但人类在其传播循环中属于"死端宿主"（dead-end hosts），即感染后不能有效维持病毒传播。典型代表包括日本脑炎病毒（Japanese encephalitis virus, JEV）、裂谷热病毒（Rift Valley fever virus, RVFV）和西尼罗病毒（West Nile virus, WNV）。这类病毒的传播往往涉及多种蚊媒物种与多种脊椎动物宿主的复杂相互作用，例如JEV可在多种库蚊（Culex）和按蚊（Armigeres）等媒介物种与猪、鸟类等宿主之间循环传播。由于传播网络的复杂性，此类病毒的防控面临显著困难。

在媒介传播疾病中，媒介的宿主选择行为对病原体传播风险具有决定性影响。媒介物种通常对特定宿主存在先天偏好，但也会表现出机会主义取食行为，尤其在偏好宿主稀缺时。因此，媒介宿主选择不仅取决于先天偏好，还受宿主相对可得性的影响。当宿主群落中包含对病原体具有不同易感性的物种时——部分物种可有效扩增病毒（易感宿主，competent hosts），部分物种则不能支持病毒持续传播（死端宿主）——媒介宿主选择与宿主群落组成之间的相互作用对传播结局的影响尤为关键。

既往研究已认识到宿主多样性可能通过稀释效应或扩增效应影响病原传播风险，但宿主群落的空间结构——即不同宿主在景观中的分布格局——与蚊虫聚集行为的耦合效应仍未得到充分理解。多数现有模型假设宿主与媒介均匀混合，忽视了宿主分布的空间异质性。本研究正是针对这一空白，以孟加拉国西北部JEV传播情境为动机——该地区牛（JEV死端宿主）与猪（易感宿主）的比例超过140:1，且牛是优势媒介物种偏好的宿主——探讨宿主空间分布与蚊虫聚集行为如何共同影响病毒传播潜力。

二、研究内容与核心问题

研究人员开发了一个斑块模型（patch model），将蚊虫宿主搜寻行为划分为两个空间尺度：长程尺度上，蚊虫利用二氧化碳等线索定位宿主密集的斑块并产生聚集；短程尺度上，蚊虫进入斑块后依据局部宿主可得性和先天偏好选择具体宿主物种。模型假设宿主分布在斑块间固定，蚊虫对所有斑块具有同等可达性，斑块间的蚊虫分配在每次模拟中保持恒定。研究聚焦于三个核心问题：宿主聚集（clustering）如何影响传播；斑块破碎化（fragmentation）如何改变传播结局；蚊虫聚集强度在其中起何种调节作用。研究以基本再生数（basic reproduction number, R₀）和流行病动态为主要输出指标，系统比较了12种宿主分布与蚊虫聚集组合情景。

三、主要技术方法

本研究采用数学建模与数值模拟相结合的方法。研究团队构建了基于常微分方程（ODEs）的媒介-宿主传播动力学模型，其中易感宿主和蚊虫分别设有易感和感染两类状态，死端宿主不纳入动态方程因其不参与病毒传播。蚊虫在斑块间的分配采用Sutherland聚集模型（Equation 1），该模型源自捕食者-猎物功能反应理论，通过聚集常数和干扰参数表征蚊虫对宿主密度的响应强度。宿主在斑块间的分布采用指数衰减函数生成非均匀权重，再通过多项分布（multinomial distribution）随机分配，以模拟不同程度的空间聚集。R₀的推导基于无感染平衡态的下一代矩阵方法。敏感性分析采用拉丁超立方抽样（Latin hypercube sampling, LHS）生成1000组参数组合，并通过偏秩相关系数（partial rank correlation coefficients, PRCC）评估各参数对R₀的影响。模型参数设定参考了孟加拉国西北部村庄的实地调查数据，包括库蚊三带喙库蚊（Culex tritaeniorhynchus）的扩散能力和农户牲畜饲养情况。所有非均匀分布情景均进行100-200次随机重复模拟以获取均值和95%置信区间。

四、研究结果

（一）宿主与蚊虫分布模式影响易感宿主血餐比例

研究首先分析了宿主分布和蚊虫聚集对易感宿主血餐比例的影响。结果显示，当易感宿主聚集分布时，蚊虫聚集程度的增加会使叮咬压力集中于易感宿主密集的斑块，从而提高整体血餐中易感宿主的比例；当死端宿主强烈聚集时，强蚊虫聚集会将蚊虫从易感宿主所在斑块吸引至死端宿主密集区域，从而降低易感宿主血餐比例。在无蚊虫聚集或弱聚集条件下，死端宿主聚集反而使位于死端宿主较少斑块中的易感宿主获得更多叮咬。

（二）易感宿主聚集与蚊虫聚集在死端宿主偏好条件下提高传播潜力

在媒介偏好死端宿主（对易感宿主偏好概率为0.1）的假设下，当易感宿主聚集且蚊虫均匀分布时，传播潜力与均匀分布的基线情景相近。但若假设蚊虫聚集，易感宿主轻度聚集（decay=0.2）时稀释效应发生更快，而陡峭聚集（decay=1）时稀释较慢。在强蚊虫聚集与易感宿主聚集的组合下，除死端与易感宿主比例极高的情况外，传播潜力均高于均匀分布基线。反之，当死端宿主聚集时，强蚊虫聚集下传播潜力与基线相近；无蚊虫聚集时，增加死端宿主密度仅缓慢降低传播，尤其在死端宿主陡峭聚集时更为明显。

（三）斑块数量增加对传播的影响取决于宿主聚集类型

弱蚊虫聚集下，随着斑块数量增加，R₀相对基线的变化（ΔR₀）呈上升趋势，该效应独立于宿主聚集类型，但在宿主强聚集时更为显著。强蚊虫聚集或无聚集时，破碎化效应呈现不对称性：易感宿主聚集时，强蚊虫聚集下ΔR₀随斑块数增加快速上升，无聚集时则逐渐下降；死端宿主聚集时，无蚊虫聚集下ΔR₀急剧上升，强聚集下缓慢下降。所有情景中，当斑块数量超过一定阈值后，继续分割宿主群落对传播的影响趋于饱和。

（四）宿主与媒介分布对流行病动态的影响

在均匀分布基线情景下，低易感宿主偏好（偏好概率0.1）不足以引发疫情暴发。但当易感宿主聚集且蚊虫强聚集时，病毒在易感宿主群体中传播更快，产生最早且最大的疫情峰值。随着蚊虫聚集减弱，疫情峰值降低。死端宿主聚集时，均匀蚊虫分布产生最大疫情峰值，但随着蚊虫聚集增强、蚊虫被吸引至死端宿主密集斑块，疫情峰值逐渐减小。当假设媒介偏好易感宿主（偏好概率0.9）时，基线条件已具备传播适宜性，易感宿主聚集可进一步提高R₀并提前疫情发生时间，而死端宿主聚集配合强蚊虫聚集则因易感宿主相对可得性降低而减小疫情规模。

（五）敏感性分析

在设定的参数范围内，空间参数（斑块数量、宿主聚集衰减率、干扰强度）是R₀变异的主要驱动因素，且其效应方向取决于宿主分布类型。干扰强度在易感宿主聚集时与R₀呈强负相关，在死端宿主聚集时呈强正相关。媒介对易感宿主的偏好是除空间参数外与R₀正相关性最强的参数，而死端与易感宿主比例呈最强负相关。叮咬率和传播概率与R₀呈中等正相关，宿主恢复率和蚊虫死亡率呈较弱负相关。

五、讨论与结论

本研究的核心贡献在于揭示了宿主群落空间结构对蚊媒病毒传播的独立影响：相同的宿主群落组成，仅因空间分布方式不同，即可产生截然不同的传播结局。当易感宿主聚集且蚊虫对宿主密度响应强烈时，传播可被显著放大；当死端宿主聚集时，蚊虫聚集行为可将叮咬从易感宿主转移至死端宿主，产生稀释效应。这一发现对理解JEV在孟加拉国西北部等死端宿主占优地区的持续传播具有重要意义——该地区牛猪比超过140:1，但家禽和流动性猪群的空间分布可能创造了局部传播热点。

研究还指出，局部尺度的叮咬模式可能与系统平均水平存在显著差异，因此大范围汇集的血餐调查可能掩盖局部传播风险，监测设计需考虑空间尺度效应。景观变化如农业集约化、城市化、灌溉项目等可改变宿主聚集模式和蚊虫栖息地，本研究框架为评估此类变化前的潜在传播风险提供了定量工具。

研究结论强调，传播风险评估不能仅考虑媒介宿主偏好和宿主丰度，还必须纳入宿主-媒介相互作用发生的空间情境。局部信息指导的监测和针对性干预措施对于预防人兽共患蚊媒病毒暴发具有重要意义。研究局限性包括未考虑蚊虫季节性动态、宿主移动、多种媒介物种共存、蚊虫外潜伏期以及宿主物理可及性差异等因素，未来研究将结合实地数据进一步验证和扩展模型框架。