Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 30 – vyšlo 24. července, ročník 18 (2020) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

30/2020

Dron – účinná zbraň proti nemocem

Petr Panchártek

Metoda genetické kontroly komářích vektorůVektor – v medicíně označení pro přenašeče. Přenašeč je organizmus, který je schopen přenést infekční onemocnění ze zdroje na cílového jedince. Sám vektor přitom obvykle infekcí ohrožen nebývá. Typickými přenašeči jsou členovci (např. klíště). malárie, horečky dengue, žluté zimnice a viru Zika je stále populárnější díky omezování jiných technik, jako je používání insekticidů. Technika sterilizace hmyzu je účinná metoda genetické kontroly pro řízení populace hmyzu a pro zajištění homogenního pokrytí, zejména na velkých plochách. Sterilní komáry je možné vypustit do cílové oblasti pomocí bezpilotního leteckého prostředku, jako je dron. Tato metoda byla testována v Brazílii a umožnila plošné rozšíření sterilních samečků komára tropického. Sterilní samečci byli poté schopni při páření s divokými samičkami konkurovat divokým samečkům. Sterilní samečci vyvolali sterilitu v nativní samičí populaci. Použití dronů k implementaci sterilní techniky povede ke zlepšení plošného pokrytí a ke snížení provozních nákladů na insekticidy a pracovníky v terénu.

Umělecké ztvárnění dronu vypouštějící sterilní komáry
jako bojovníky proti nákaze. Zdroj: ASME.

Vektor – v medicíně označení pro přenašeče. Přenašeč je organizmus, který je schopen přenést infekční onemocnění ze zdroje na cílového jedince. Sám vektor přitom obvykle infekcí ohrožen nebývá. Typickými přenašeči jsou členovci (např. klíště). Pyrethroid – syntetická chemická sloučenina podobná přírodním látkám pyrethrinům produkovaným květinami (Chrysanthemum cinerariaefolium a Chrysanthemum coccineum). Genom – veškerá genetická informace uložená v DNA (u některých virů v RNA) konkrétního organismu. Zahrnuje všechny geny a nekódující sekvence. Cochliomyia – rod z čeledi bzučkovitých. Jde o mušky z řádu dvoukřídlých. Larva Cochliomyia je obecně nazývaná jako „šroubovicový červ nového světa“. Liší se od larvy Chrysomya, obecně známé jako „šroubovicový červ starého světa“. Ovitrap – past, která se skládá z tmavé nádoby obsahující vodu a substrát, kde komáři mohou snášet vejce. Vejce poté padají okénkem do vody, kde se líhnou larvy a vyvinou se z nich kukly. Když se objeví dospělí komáři, jsou uvězněni pod okénkem a nemohou z ovitrapu uniknout. Arboviry – viry z různých skupin, které jsou na člověka přenášeny drobnými členovci. Nejvýznamnější skupinou virů, které patří mezi arboviry jsou flaviviry. Arboviry vyvolávají u člověka infekční onemocnění řazené mezi antropozoonózy, nejtypičtějším příkladem je klíšťová encefalitida. Wolbachia – gramnegativní bakterie, prototyp organizmu žijícího v symbiotickém vztahu. Wolbachia je nitrobuněčný parazit bezobratlých živočichů. Může přenášet závažná onemocnění, jako jsou skvrnivka, Q horečka nebo horečka Skalistých hor.

Úvod

Podle Světové zdravotnické organizace (WHOWHO – World Health Organization, Světová zdravotní organizace, která je součástí Organizace spojených národů. Od roku 1948 by měla být koordinačním centrem pro zdraví obyvatel na celé planetě. Sídlo WHO je ve švýcarské Ženevě.) představují nemoci přenášené vektoryVektor – v medicíně označení pro přenašeče. Přenašeč je organizmus, který je schopen přenést infekční onemocnění ze zdroje na cílového jedince. Sám vektor přitom obvykle infekcí ohrožen nebývá. Typickými přenašeči jsou členovci (např. klíště). až 17 % infekčních onemocnění, což každý rok vede k více než jednomu miliónů lidských obětí. To zahrnuje (v pořadí podle důležitosti) malárii, lymfatickou filariózu a nemoci způsobené arboviryArboviry – viry z různých skupin, které jsou na člověka přenášeny drobnými členovci. Nejvýznamnější skupinou virů, které patří mezi arboviry jsou flaviviry. Arboviry vyvolávají u člověka infekční onemocnění řazené mezi antropozoonózy, nejtypičtějším příkladem je klíšťová encefalitida., jako jsou horečka dengue, žlutá zimnice a horečka Zika. V mnoha zemích je velmi rozšířeno hubení přenašečů toxickými insekticidy, které negativně působí na živé organizmy a ekosystém. Mnoho zemí chce tyto chemikálie zakázat. Navíc roste odpor vůči pyrethroidůmPyrethroid – syntetická chemická sloučenina podobná přírodním látkám pyrethrinům produkovaným květinami (Chrysanthemum cinerariaefolium a Chrysanthemum coccineum)., což je nejčastější používaná skupina insekticidů proti hmyzu. WHO v reakci na rozšíření vektorůVektor – v medicíně označení pro přenašeče. Přenašeč je organizmus, který je schopen přenést infekční onemocnění ze zdroje na cílového jedince. Sám vektor přitom obvykle infekcí ohrožen nebývá. Typickými přenašeči jsou členovci (např. klíště). v letech 2017 až 2030 proto naléhavě požadovala alternativní metody kontroly komárů. Zejména se zaměřila na boj proti komárům tropickým, kteří jsou hlavním vektorem arbovirů.

K dispozici jsou inovativní metody kontroly komárů a některé metody genetické kontroly jsou velmi slibné. Technika sterilizace hmyzu je původní metodou genetické kontroly a byla s velkým úspěchem používána proti hmyzím škůdcům v zemědělství a škůdcům při chovu hospodářských zvířat, například jde o Cochliomyie, octomilky, můry a mouchy tse-tse. Nedávné metody genetické kontroly zahrnují:

Nejnovější vyvinutou  technologií je genové řízení. Jedna z technik je založená na sterilních samečcích, v současnosti zejména u komárů rodů Anofeles a Aedes. Očekává se, že se tato metoda stane mocným nástrojem pro ovládání komárů, ale zatím není jednoduché komáry vypustit do terénu.

Pro vypuštění nákladu sterilních samečků komárů bude potřeba použít leteckou techniku, zejména pokud bude nutné pokrýt velké oblasti. Takové uvolňovací systémy byly vyvinuty pro programy SITSIT – Sterile Insect Technique, vypouštění sterilních komárů či jiných přenašečů (sterilizovaných například ozářením) do volné přírody. Jde o šetrnou alternativu k hubení hmyzu insekticidy. bojující proti ovocným muškám (octomilkám), můrám a mouchám tse-tse. Existuje však jen málo systémů pro účinné vypouštění komárů a hmyzu obecně pomocí dronů. Proto byl vyvinut plně automatický uvolňovací systém pro vypouštění dospělých sterilních komářích samečků rodu Aedes, které lze vypustit pomocí malých bezpilotních letadel, obecně známých jako drony. Uvolnění sterilních komárů pomocí dronů by mohlo dvacetinásobně snížit náklady na kontrolu jimi přenášených nemocí.

Základní principy potlačení poulace pomocí sterilních komárů.
Zdroj: Current Opinion in Insect Science.

Návrh mechanizmu pro vypouštění komárů

Komáři mají dlouhé křehké nohy a jemná křídla, což činní značné požadavky na návrh systému pro jejich vypouštění. Takový systém se podařilo navrhnout skupině odborníků z Brazílie, Švýcarska, Rakouska, Španělska a dalších zemí v rámci programu na využívání jaderných technologií v potravinářství a zemědělství, který je společným programem organizací FAOFAO – Food and Agriculture Organization of the United Nations a IAEAIAEA – International Atomic Energy Agency. Systém nesmí způsobit komárům žádná zranění, a proto je návrh celkem komplikovaný. Z entomologického hlediska bylo hlavní výzvou řešit stěsnání komárů v malém prostoru, jejich chlazení a vývoj dopravníku, který umožní naskládat přiměřený počet komárů pro let. Bylo potřeba zajistit jejich úplnou imobilizaci a řídit rychlost uvolňování, aniž by došlo k jejich zranění. Ze strojírenského hlediska zahrnuje výsadková plošina uvolňovací mechanizmus, který se skládá z izolované úložné jednotky (mechanizmus, který vypuzuje komáry na rampu vypouštěcí oblasti), palubní elektroniky (obsahuje senzory a kamery pro řízení a sledování stavu mechanizmu) a samotných komárů (viz následující obrázek). Na zakázku byla vyvinuta softwarová aplikace fungující na Androidu pro autonomní provoz letů a s dávkováním komárů, která zefektivňuje plánování a vypouštění komárů.

Systém vypouštění dospělých komárů provozovaný na dronu (UAV). (A) Pohled na uvolňovací mechanizmus zepředu. (B) Řez uvolňovacím mechanizmem. (C) Zásob­ník naplněný 50 000 označenými komáry. (D) Plně sestavený systém pro vypouštění komárů připojený k dronu DJI M600 AUV. Zdroj: FAO/IAEA/Science Robotics.

Simulace uvolňování v laboratorním prostředí

Před terénní zkouškou byly rok prováděny laboratorní pokusy, jejichž cílem bylo vyvinout a vylepšit tento systém vypouštění komárů a posoudit jeho možný dopad na vypouštěné sterilní samečky. Nejprve se zkoumal vliv různých úprav (stěsnání komárů, chlazení a uvolňování) na kvalitu vypuštěných komárů pomocí standardizovaného testu letové schopnosti, který určuje podíl dospělých komárů unikajících z 25 cm vysoké svislé trubice. Ukázalo se, že samečci komára tropického jsou velmi citliví na stísněnost, a proto byla vyvinuta vypouštěcí kazeta s maximální hloubkou 5 cm, která neobsahovala více než 50 000 samečků komára tropického. Navíc se při teplotách 8 °C komáři chovali podobně jako inertní částice a jejich aktivita byla snížena, zatímco při 11 °C byla obnovena jejich pohyblivost. Proto byl vyvinut izolovaný kontejner, který mohl udržet teplotu nákladu mezi 8 °C až 10 °C během letu. Komáři vystaveni těmto teplotám se znovu aktivovali po 40 až 60 s – poté, co se zahřáli na okolní teplotu.

Vzhledem k tomu, že samečci komára tropického mají odhadovanou průměrnou rychlost volného pádu 2,5 m/s, byla vybrána výška pro vypouštění 50 a 100 m. Nakonec byly porovnány dva dopravníkové systémy – dopravníkový systém běžně používaný k vypouštění ovocných mušek (octomilek) a válečkový systém původně vyvinutý pro mouchy tse-tse. Systém válečků pro mouchy tse-tse, který byl menší a lehčí než systém pro dopravu ovocných mušek, vypouštěl komáry lepší kvality (s vyšší rychlost letu). Simulace síly větru, která působí na komáry při vypouštění z dronu, se provedla pomocí aerodynamického tunelu a potvrdila, že rychlost větru 7 až 9 m/s (25 až 68 km/h) nesnížila kvalitu samečků vypuštěných tímto systémem. Nakonec byla provedena laboratorní studie k posouzení dopadu procesu simulovaného vypouštění na konkurenceschopnost sterilních komářích samečků. Konkurenceschopnost ozářených sterilních samečků, kteří byli vystavení konečnému návrhu systému vypouštění, byla hodnocena v laboratorních klecích (60×60×60 cm) a ukázalo se, že je podobná jako u neošetřených komárů.

Experiment Moscamed – část první

Na základě pozitivních výsledků z laboratorních experimentů bylo vypouštění komárů z dronu otestováno v březnu 2018 v terénních podmínkách v místě Carnaíba do Sertao, Juazeiro, Brazílie. Program dostal název Moscamed (viz následující obrázek a video). Současně byly provedeny dvě série pokusů s různě barevně označenými sterilními samečky:

V první části se testoval dron vznášející se nad zemí na pevném místě, které bylo stejné jako u pozemních úniků. Celkem 50 400 sterilních ozářených samečků bylo vypuštěno z dronu při stacionárním letu ve výškách 50 a 100 m (dvě opakování). Komáři byli znovu chytáni pomocí 35 profesionálních nástrah na komáry značky Biogents (BG-Sentinel, Biogents, Německo) na zkušební ploše 20 ha (0,2 km²). Více komárů bylo pochytáno při vypuštění na zemi než při vypuštění pomocí dronu. Počet chycených komárů byl významně vyšší při experimentu ve výšce 50 m než ve výšce 100 m. Přežití těchto tří skupin bylo podobné, ale jejich rozptyl se zvyšoval s výškou uvolnění.

Výsledky experimentu Moscamed v místě Carnaíba do Sertao, Brazílie. (A) Mapa monitorovacího systému používající pasti BG, které byly rozmístěny od 20. března do 11. dubna 2018. Černé body představují pasti s úlovky sterilního komára tropického během liniového uvolňování, zatímco bílé body představují pasti bez úlovku. Červený bod představuje místo pozemního vypouštění komárů uprostřed fotbalového hřiště. (B) Pasti chytající sterilní samečky uvolněné dronem z jednoho bodu ve výšce 100 m, 50 m, a na zemi. Čísla u bodů znamenají celkový počet úlovků jedné pasti během experimentálního období. (C) Pasti chytající sterilní sa­mečky během liniového uvolňování pomocí dronu ve výšce 100 m, divoké samič­ky a divoké samečky. Čísla u bodů znamenají celkový počet úlovků jedné pasti během experimentálního období. (D) Fotografie označení sterilního samečka komára tropic­kého. Zdroj: Science Robotics.

Video popisující experiment Moscamed. Zdroj: Science Robotics.

Experiment Moscamed – část druhá

Ve druhé části experimentu bylo vypuštěno celkem 165 400 sterilních samečků podél uvolňovacích linii od sebe vzdálených 80 metrů, na ploše 20 hektarů, monitorovaných 37 pastmi. K určení, zda se samečci pářili s divokými samičkami bylo nasazeno 37 ovitrapůOvitrap – past, která se skládá z tmavé nádoby obsahující vodu a substrát, kde komáři mohou snášet vejce. Vejce poté padají okénkem do vody, kde se líhnou larvy a vyvinou se z nich kukly. Když se objeví dospělí komáři, jsou uvězněni pod okénkem a nemohou z ovitrapu uniknout.. Sledována byla plodnost vajíček, která byla porovnávána s neošetřenou kontrolní oblastí. Při tomto experimentu byla rychlost letu dronu 10 metrů za sekundu a rychlost válečků dvě otáčky za minutu, což umožnilo vypouštění přibližně 5 000 sterilních samečků na hektar. Na pokrytí dvaceti hektarů bylo potřeba asi 12 minut. Během letu teplota překročila 10 °C, ale zůstala pod 18 °C, což nezpůsobilo výrazné snížení kvality komárů, protože doba letu byla kratší než 13 minut (viz následující obrázek). Označení komáři byli znovu zachyceni ve 24 z 35 aktivních monitorovacích pastí (v 69 % pastí).

Dynamika teploty uvnitř uvolňovacího systému během letu. Letová výška byla
100 metrů, experiment proběhl 21. března 2018. Zdroj: Science Robotics.

Naměřená data ukazují, že se sterilní samečci agregovali na stejných místech jako divocí komáři, což je předpoklad úspěchu v programu SITSIT – Sterile Insect Technique, vypouštění sterilních komárů či jiných přenašečů (sterilizovaných například ozářením) do volné přírody. Jde o šetrnou alternativu k hubení hmyzu insekticidy.. V uvolňovací oblasti byl získán maximální poměr 0,8 sterilního samečka ku 1 divokému samečkovi (viz následující obrázek). Po uvolnění sterilních samečků se podíl vajíček shromážděných v oblasti zvýšil o více než 50 % ve srovnání se sousední kontrolní oblastí, kde žili divocí komáři. Vypuštění samečci byli tedy schopni konkurovat divokým samečkům, pářit se s divokými samičkami a přenášet své sterilní spermie vyvolávající sterilitu v nativních samicích.

Indukovaná sterilita a sexuální konkurenceschopnost sterilního samečka komára tropického vypuštěného z uvolňovacího systému dronu. Křivky ukazují časovou dyna­miku poměru sterilního a divokého samečka a rychlost vzniku neplodných vajíček v ošetřených a neošetřených oblastech. Zdroj: Science Robotics.

Závěr

V oblasti už byly konány experimenty s vypouštěním komárů z dronů ještě před experimentem Moscamed, což mělo za následek dobré přijetí dronu v testovací oblasti místním obyvatelstvem.

Data z experimentu Moscamed ukázala, že vypuštění sterilních samečků komára tropického z plošiny dronu umožňuje rovnoměrné rozptýlení sterilních samečků v terénu a dosažení homogenního poměru sterilních a divokých samečků. Indukovaná sterilita pozorovaná v tomto experimentu byla neočekávaně vysoká s ohledem na počet vypuštěných samečků (přibližně 5 000 samečků na hektar za týden) a na celkový poměr sterilních samečků k divokým (<1), což ukazuje na vysokou konkurenceschopnost sterilních samečků.

Mezinárodní agentura pro atomovou energii (IAEAIAEA – International Atomic Energy Agency) a Mezinárodní zdravotnická organizace (WHOWHO – World Health Organization, Světová zdravotní organizace, která je součástí Organizace spojených národů. Od roku 1948 by měla být koordinačním centrem pro zdraví obyvatel na celé planetě. Sídlo WHO je ve švýcarské Ženevě.) nedávno zveřejnily pokyny pro metodu SITSIT – Sterile Insect Technique, vypouštění sterilních komárů či jiných přenašečů (sterilizovaných například ozářením) do volné přírody. Jde o šetrnou alternativu k hubení hmyzu insekticidy. jako nástroje pro genetickou kontrolu komárů spojenou se snížením výskytu nemocí přenášených komáry rodu Aedes. Aktuálně je realizováno 34 pilotních projektů SIT (vypouštění sterilních samečků komárů), které bojují proti komárům rodiny Aedes na celém světě. Šance na úspěch je veliká.

*  *  *

„V přírodě je přežití a úspěch otázkou těch nejschopnějších a nejpřitažlivějších.“

Charles Darwin

Odkazy