English Title: Bionomi and spreeding of the autochthonus anopheline Anopheles plumbeus and their vector competence against Plasmodium falciparum

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Abstract

In der letzten Dekade wurden in Deutschland jährlich bis ca. 1000 allochthon erworbene Malariafälle registriert, von denen etwa 70 % durch Plasmodium falciparum hervorgerufen wurden. Basierend auf der sich ausdehnenden Verbreitung von Anopheles plumbeus wurde ihre Bionomie sowie ihre Vektorkompetenz für Plasmodium falciparum, dem Erreger der Malaria tropica, untersucht. Anopheles plumbeus - eine Fiebermücke, die ursprünglich in Baumhöhlen brütet, besiedelt in zunehmendem Maße nicht mehr intensiv genutzte Güllegruben. Nach 3 bis 5 Jahren können Larvendichten bis zu 1.800 Individuen pro dm2 erreicht werden. Aufgrund ihres aggressiven Stechverhaltens kommt es dann zu erheblichen Einschränkungen in der Freizeitnutzung der Anwohner. Da die Mücke weder stenogam noch autogen ist, kann sie nicht in geschlossenen Systemen überleben. So kann, vor dem entwicklungsbedingten Ausfliegen der Mücken, durch ein simples Verschließen der Brutstätte die darin lebende Population ausgelöscht werden. Auch die in Gruben vorkommenden Populationen halten, wie die in Baumhöhlen brütenden Mücken, strikt eine jahreszeitlich gesteuerte Entwicklungsperiodik ein. Erstmalig konnte ihre Kälte- und Frostresistenz bis -20° C gezeigt werden - eine Eigenschaft, die das Überleben in den Wäldern der Bergregionen erst ermöglicht. Die erfolgreiche Etablierung eines in vitro-Kultivierungssystems für P. falciparum, in Verbindung mit dem Aufbau des Membran-Infektionsmodells, bildete die Grundlage für Untersuchungen zur Vektorkompetenz von An. plumbeus. Im Vorfeld wurde mit Hilfe von Infektionsversuchen an An. stephensi die Effektivität beider Systeme stetig verbessert. Unter Laborbedingungen konnten An. plumbeus-Weibchen sowohl aus Baumhöhlenvorkommen wie auch aus Grubenpopulationen erfolgreich mit dem P. falciparum-Stamm NF54 infiziert werden. Erstmalig konnte dabei mit dem Nachweis von Sporozoiten in den Speicheldrüsen die Vollendung des Entwicklungszykluses von P. falciparum in An. plumbeus aus natürlichen wie auch aus anthropogenen Brutstätten bewiesen werden. Die Befunde dieser Studie zur Bionomie, Verbreitung und Vektorkompetenz der einheimischen Stechmücke stellen somit eine wichtige Grundlage zur Bewertung des Malaria-Risikos durch Übertragung autochthoner Anophelinen in Zentraleuropa dar.

Translation of abstract (English)

Although endemic malaria has disappeared in Germany, travellers imported approximately 1000 registered cases of malaria every year in the last decade. 70 per cent of these cases were caused by Plasmodium falciparum. The mosquito is directly affected by its environment. Temperature, rainfall, presence of breeding places and the availability of hosts for blood meal control the mosquito population. Taking vector competence into account, we observed the occurrence and the expansion of Anopheles plumbeus. Remarkably, within three to five years, larval densities reach up to 1,800 individuals per square decimeter. Due to its aggressive biting behaviour, this mosquito has become a significant nuisance in the areas affected, effectively limiting outdoor activities of the people living near its breeding grounds. However, as this mosquito is neither stenogam nor autogenous, a sealing of the breeding ground will eliminate the population within. The mosquito populations that have their breeding grounds in tree cavities as well those that breed in pits both maintain a strictly season-triggered developmental periodicity. For the first time, it was possible to show the mosquito’s ability to withstand temperatures of down to -20°C, a factor that permits its survival in forests at elevated altitudes. The successful in vitro cultures of the gametocyte-producing P. falciparum strain NF54, efficient gametocyte production, and infection of the Anopheles species through membrane feeding were the prerequisites to study the transmission competence of An. plumbeus. The system was optimized in infection experiments with laboratory populations of An. stephensi under laboratory conditions field-collected An. plumbeus were successfully infected and produced salivary gland sporozoites, the infectious transmission stage of the malaria parasite. I could show that P. falciparum completes its mosquito life cycle in An. plumbeus, independent of their origin, i.e. collected from tree holes or man-made manure pits. Collectively, these findings provide the rationale for a risk evaluation of malaria transmission by autochthonous Anopheles in Central Europe.