Mathematical modeling of dengue transmission dynamics in Wolbachia-infected mosquitoes

Abstract

Dengue, a disease caused by the dengue virus (DENV), is endemic in the Americas and constitutes the most prevalent arboviral disease worldwide, with increasing rates of morbidity and mortality. It is a systemic, seasonal, acute febrile infectious disease transmitted to the human population through the bite of female Aedes aegypti or Aedes albopictus mosquitoes infected with DENV. The inefficiency of conventional chemical and mechanical control methods, the expansion of the mosquito into new areas, and the impact of this arboviral disease on public health systems make the search for new control strategies urgent. In this context, the release of Wolbachia-infected mosquitoes—harboring an intracellular bacterium capable of inhibiting viral replication within the vector—has been implemented on a large scale. Additionally, vaccination of the population, which is currently underway, may play a key role in reducing and potentially suppressing dengue cases. In this work, we propose a system of ordinary differential equations to describe the interaction between Wolbachia-infected and uninfected vector populations, the human population, and the dengue virus. Vaccination of the human population is also incorporated into the model. The results illustrate how the combined effects of vaccination and reduced vectorial capacity modify disease prevalence, highlighting regions of parameter space in which one or both control measures can achieve substantial reductions or even complete elimination of dengue transmission.

A dengue, doença causada pelo vírus da dengue (DENV), é endêmica nas Américas e constitui a arbovirose de maior prevalência mundial, apresentando índices crescentes de morbidade e mortalidade. Trata-se de uma doença sistêmica, sazonal, infecciosa, de caráter agudo e febril, transmitida à população humana pela picada de fêmeas do mosquito Aedes aegypti ou Aedes albopictus infectadas pelo DENV. A ineficiência dos métodos usuais de controle, químicos e mecânicos, a expansão do mosquito para novas áreas e o impacto dessa arbovirose sobre o sistema de saúde tornam urgente a busca por novas estratégias de controle. Nesse contexto, a liberação de mosquitos infectados com Wolbachia, uma bactéria intracelular capaz de inibir a replicação do vírus no organismo do vetor, tem sido utilizada em larga escala. Adicionalmente, a vacinação da população — atualmente em curso — pode atuar como uma peça-chave na redução e eventual supressão dos casos de infecção por dengue. Neste trabalho, propõe-se um modelo de equações diferenciais ordinárias para descrever a interação entre as populações de vetores infectados e não infectados por Wolbachia, a população humana e o vírus da dengue. Considera-se ainda a vacinação da população humana. Os resultados mostram como o efeito combinado da vacinação e da redução da capacidade vetorial altera a prevalência da doença, destacando regiões no espaço de parâmetros nas quais uma ou ambas as medidas de controle podem alcançar reduções substanciais ou até a eliminação completa da transmissão da dengue.