Les anophèles : hôtes et vecteurs de Plasmodium

Vincent ROBERT DR de l’IRD

UMR MIVEGEC (Maladies infectieuses et vecteurs: écologie, génétique, évolution, contrôle) IRD 224 - CNRS 5290 - Université Montpellier 1

Atelier Paludisme de lʼInstitut Pasteur de Madagascar 14 mars 2011

Plan

1• Les anophèles constituent un élément de la biodiversité (illustrations aux Seychelles et à Madagascar)

2• Les Plasmodium n’ont pas de phase libre (illustrations chez les Apicomplexa)

3• La transmission vectorielle impacte le R0 (illustrations dans le cadre de l’éradication mondiale des Plasmodium humains)

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Plan

1• Les anophèles constituent un élément de la biodiversité (illustrations aux Seychelles et à Madagascar)

2• Les Plasmodium n’ont pas de phase libre (illustrations chez les Apicomplexa)

3• La transmission vectorielle impacte le R0 (illustrations dans le cadre de l’éradication mondiale des Plasmodium humains)

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Culicinae Anophelinae

Vecteur de Plasmodium de mammifères et de filariose

Vecteur de Plasmodium de reptiles + oiseaux, arbovirus, et filarioses

Anophelinae Culicinae

La distribution des anophèles

L’aire de distribution d’une espèce anophélienne vectrice est < à celle d’un continent

An. albimanus An. freeborni

An. arabiensis

An. moucheti

An. balabacensis

An. koliensis

Hay S et al.

Il n’existe pas d’espèces anophélienne pan-tropicale (≠chez Aedes et Culex) Les anophèles ne sont pas typiquement des espèces invasives (mais An. arabiensis au Brésil)

An. notleyi An. hamoni An. bwambae

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Vincent ROBERT 1, Fano RANDRIANAMBININTSOA 2, Luciano TANTELY 2, Gilbert LE GOFF 1, Philippe BOUSSÈS 1, Simon JULIENNE 3, Gérard ROCAMORA 4, Steven M. GOODMAN 5

Colloque GDRI - Biodiversité et Développement Durable à Madagascar Univ Lyon 1: 3-5 Nov 2010

1 Institut de Recherche pour le Développement, Montpellier, France 2 Université d’Antananarivo, Madagascar 3 Ministry of Heath, Seychelles 4 Island Conservation Society, Seychelles 5 Vahatra, Madagascar & Field Museum of Chicago, USA

Biodiversité des moustiques�dans les îles du sud-ouest de l’Océan indien

Financement: Institut français pour la Biodiversité, CNRS, AIRD Programme “Biodiversité dans les îles de l’Océan indien”

Madagascar Seychelles Maurice Comores France

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• Définitions

• La méthode d’étude

• Les moustiques dans le SWOI

• Etude de cas 1 : les anophèles à Madagascar

• Etude de cas 2 : les moustiques aux Seychelles

• Conclusion : Moustiques et biodiversité

Plan

Biodiversité des moustiques�dans les îles du sud-ouest de l’Océan indien (SWOI)

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Espèce = • définition cynique de l’espèce • morpho-espèces (+++) et complexe d’espèces (+)

Biodiversité = • description du vivant • compréhension des causes et des mécanismes

Biodiversité = n’est pas un état (instantané figé) mais est un processus (en changement constant) ==> prise en compte des dimensions spatiale et historique

Définitions


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Echelle globale = Bases de données

Echelle locale = • Bibliographie • Inventaire (Missions de terrain) Collectes et conditionnement de larves

Collectes et conditionnement d’adultes

Observations à la loupe binoculaire et au microscope (montages des larves et génitalias mâles)

Comparaisons avec collection de référence (IRD Montpellier = 2ème d’Europe)

Séquençage Cytb, COI, ITS (ARN-18s), …

Méthodes


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Changements dans les aires géographiques (Les Seychelles ; archipel vs. Union des Comores)

Changements taxonomiques - dans la nomenclature des espèces (genre, sous-genre, espèce) (Stegomyia fasciata ==> Ae. aegypti ; Anopheles costalis ==> An. gambiae s.l. ) ( fryeri a déjà changé 5 fois de genre: Culiselsa, Aedes, Ochlerotatus, Levua, Aedes) - mises en synonymie (Aedes seychellensis ==> Ae. albocephalus ) - nouvelle assignation d’un morphe de larve à un taxon d’adulte - mise en évidence d’espèces jumelles (An. gambiae ==> 7 espèces )

Validité douteuse de certaines espèces (Anopheles comorensis ) de certaines observations (An. merus à Maurice)

Difficulté des déterminations spécifiques

Difficultés


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Kenya Tanzanie

Mozambique Madagascar

Archipel des Comores La Réunion

Maurice Les Seychelles

Sources: Hervy et al, 1998; The Walter Reed Biosystematics Unit (WRBU); Ralph Harbach (web: mosquito taxonomic inventory); Revision: Ph. Boussès

41 48 29 26 8 2 5 0

genre Anopheles

Anopheles endémiques

nombreux genres

Culicinae endémiques

12 1 0 0 0

Région afrotropicale (Yemen exclus) 137

Monde 463

Richesse spécifique instantanée

48

166

170 129 91

211 37 12 12 21

123 6 1 4 5

658

3054

292

1497

Anophelinae Culicinae

36%

35%

46%

12%

0%

0%

0%

49%

44%

11%

58%

16%

8%

33%

24%

27 10% 7 } }

13/46

Richesse spécifique vs. Surface

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4 lo

g 10 N

b d’

espè

ces

Monde

Afrique

Tanzanie Kenya

Madagascar

Mozam

bique

Com

ores M

aurice La R

éunion

Seychelles granitiques

Seychelles coralliennes

0 1

log10 surface

Anopheles

Culicinae

2 3 4 5 6 7 8

Superficie

McArthur & Wilson 1967

14/46

Richesse spécifique vs. Distance au continent

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

log 1

0 Nb

d’es

pèce

s

Madagascar

Com

ores

Maurice

La Réunion



2,5 log10 distance 3,1 2,9

Anopheles

Culicinae

2,7

Degré d’isolement

3,3

15/46

Richesse spécifique vs. Diversité des habitats

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

log 1

0 Nb

d’es

pèce

s

Monde

Afrique

Tanzanie Kenya

Madagascar

Mozam

bique

Com

ores

Maurice

La Réunion



Coefficient ± arbitraire

Anopheles

Culicinae

0 2 4 6 8 10

Hétérogénéité des l’habitats 16/46

580.000 945.000 801.000 587.000

2.609 2.500 2.040

281 170

Région afrotropicale 22.100.000

World 147.000.000

Surface (km2)

- - -

500 350 700

1.000 1.400

400

-

-

6 6 6 8 4 2 2 2 2

9

10

Kenya Tanzanie

Mozambique Madagascar

Archipel des Comores La Réunion

Maurice Les Seychelles granitiques

Les Seychelles coralliennes

Distance au continent ou à Madagascar

(km)

Richesse en habitats

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Moustiques et biodiversité�dans les îles du sud-ouest de l’Océan indien (SWOI)

Etude de cas 1 : Biodiversité des Anopheles à Madagascar arabiensis oui brunnipes non coustani non cydippis non flavicosta non funestus oui fuscicolor non oui (savane) gambiae oui grassei non oui (Côte Est) grenieri non oui (Côte Est) rarissime, adulte inconnu griveaudi non oui (Ankaratra) rarissime, une unique femelle

connue, larve inconnue lacani non oui (Côte Est) rarissime, adultes uniquement

obtenus à partir de récolte de larves

maculipalpis non mascarensis oui oui (Madagascar+

Comores)

merus oui milloti non oui (Côte Est) notleyi non oui (Diégo) rarissime, une unique série type pauliani Non mais

anthropophile oui (surtout la Côte Est)

pharoensis non pretoriensis non radama non oui (Diégo,

Vohemar, Nosy-Bé) rarissime

ranci non oui (Côte Est ; 300-900m)

rare, adultes uniquement obtenus à partir de récolte de larves

roubaudi non oui (Mandraka) rarissime, adultes uniquement obtenus à partir de récolte de larves

rufipes non squamosus non tenebrosus non

Anopheles Vecteur Endémique Abondance

26 espèces (source Hervy et al. 1998) [32 espèces (source WRBU)]

Seulement 5/26 = 19% sont vectrices. La plupart des autres sont zoophages ou ont des préférences trophiques inconnues

12/26 = 46% sont endémiques

7/26 = 27% sont rarissimes

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Première épidémie due à Plasmodium sp. à Aldabra en 1908. Seconde épidémie due à P. falciparum à Aldabra et à Assomption en 1930-31, avec identification d’Anopheles gambiae s.l. Aucun cas de paludisme autochthone depuis 1931

Transmission de Wuchereria bancrofti par Culex quinquefasciatus

Transmission des virus de la dengue et de chikungunya par Aedes albopictus


Etude de cas 2 : Les moustiques aux Seychelles

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• Dans les îles granitiques: possible existence d’espèces anophéliennes endémiques dans les montagnes, utilisant de petits cours d’eau (comme à Madagascar).

• Dans les îles coralliennes: possible maintien à une densité très faible d’anophèles responsables de l’épidémie de 1930-31.


Deux questions scientifiques relatives aux moustiques seychellois

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Seychelles : Population (2009) : 84 000 (la plus petite d’Afrique) 451 km2; plusieurs archipels (± 115 îles) Capitale: Victoria (à Mahé)

Iles coralliennes

Iles granitiques

équateur

Kenya - Mahé : 1 400 km Comoros - Aldabra : 420 km Madagascar - Farquhar : 300 km Mascareignes - Farquhar : 1 500 km

Mahé Pralin La Digue Aride

Aldabra Asumption

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Une île granitique : Mahé

Une île granitique : Mahé

Une île granitique : Pralin

(Vallée de Mai)

Sommet: 906 m

Une île corallienne: Aldabra

G = granitiques Vm = Vallée de Mai à Praslin

Am = Amirantes S = Seychelles

Al = Aldabra Co = Cosmoledo

Theobald 1912

Hermitte 1931

Edwards 1941

Harper 1947

Mattingly & Brown

1955

Lambrecht

1971

Gerbert & Anett 1976

Bin 1995 1996

Robert et al, 2008

Ae. (Aedi.) albocephalus G Al G Al G G G G Al Ae. (Aedi.) n.sp. (± fowleri) Al Ae. (Levua) frye r i Al Al Co Al Ae. (Oc.) vigilax vansomerenae

G G G Al

Ae. (St.) aegyp t i G Am Al S G G G Al Ae.(St.) albopictus G Am G G G G G G Ae. (Sk.) lambrechti

G G G G G

An. gambiae s.l.

Al

Cx. (Cx.) fuscocephala G Cx. (Cx.) quinquefasciatus G S G G G G G G Cx. (Cx.) pipiens Al Cx. (Cx.) scottii G G G G G Cx. (Cx.) simpsoni G G G G G Al Cx. (Cx.) sitiens Al Al Cx. (Cx.) tritaeniorhynchus G G Cx. (Eum.) stellatus G G G G G G Cx. (Eum.) wigglesworthi

Vm Vm

Ma. (Man.) uniformis

G G

Ur. (Ps.) browni Vm G* G G Ur. (Ps.) nepenthes G G G G G G G Ur. (Ps.) pandani

G G G G G G G G

Total species (19) 9 1 7 8 13 13 10 7 17

Ae. (Coet.) fryeri

Ae. (Stg.) albopictus

Cx. (Cux.) fuscocephala

Cx. (Cux.) pipiens

Cx. (Eum.) wigglesworthi

Ae. (Adm.) albocephalus Ae. (Adm.) n.sp. (≠ fowleri et ≠ dufouri)

Ae. (Och.) vigilax vansomerenae

Ae. (Stg.) aegypti Ae. (Sku.) lambrechti

Cx. (Cux.) quinquefasciatus

Cx. (Cux.) scottii Cx. (Cux.) simpsoni Cx. (Cux.) sitiens Cx. (Cux.) tritaeniorhynchus Cx. (Eum.) stellatus


Ur. (Pfc.) browni Ur. (Pfc.) nepenthes Ur. (Pfc.) pandani

An. (Cel.) gambiae s.l.

Total espèces (21) 18

Les espèces de moustiques aux Seychelles

Ae. albocephalus des Seychelles comparaison avec Bénin, Afrique du Sud, Madagascar

5 genres

G G Al

26/46

Ae. (Lev.) fryeri

Ae. (Stg.) albopictus

Cx. (Cux.) fuscocephala

Cx. (Cux.) pipiens

Cx. (Eum.) wigglesworthi

Ae. (Adm.) albocephalus Ae. (Adm.) n.sp.

Ae. (Stg.) aegypti Ae. (Sku.) lambrechti

Cx. (Cux.) scottii Cx. (Cux.) simpsoni Cx. (Cux.) sitiens

Cx. (Cux.) tritaeniorhynchus Cx. (Eum.) stellatus


Ur. (Pfc.) browni Ur. (Pfc.) nepenthes Ur. (Pfc.) pandani

An. (Cel.) gambiae s.l.

Total species (21)

*

*

*

5

Endemisme aux

Seychelles Distribution

afrotropicale

cosmopolite

indomalayenne

cosmopolite

afrotropicale

afrotropicale

australasienne

cosmopolite

cosmopolite

afrotropicale afrotropicale, indomalayenne, et australasienne indomalayenne

afrotropicale

afrotropicale

afrotropicale

afrotropicale (7) endémique (5) cosmopolite (4) indomalayenne (2) australasienne (1) autre (2)

Ae. (Och.) vigilax vansomerenae

Cx. (Cux.) quinquefasciatus

malgache

Type de gîte larvaire

Maladies vectorisées

Dengue chikunguya

Filariose de Bancroft

Paludisme

Trou de rocher Trou de rocher Trou de rocher Eau saumâtre Très variés Très variés Trou de crabes

Trou de rocher

Marais Très variés Très variés ??? Trou de rocher, bras rivière Eau saumâtre

Marais Trou d’arbres Feuilles ?

Plantes flottantes ou dressées

Phytotelme Phytotelme Phytotelme

Bioécologie des moustiques aux Seychelles

*

Œuf résistant

Activité de piqûre

Diurne

Nocturne

Nocturne

Diurne Diurne Diurne Diurne Diurne Diurne

Nocturne Nocturne Nocturne Nocturne Nocturne

Nocturne Nocturne Nocturne

Nocturne

Nocturne Nocturne Nocturne

Oui Oui Oui Oui Oui Oui Oui

*

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Absence d’anophèles

Résultats marquants aux Seychelles

• Bonne nouvelle pour la santé publique et le tourisme • Surprenant, parce que le climat est favorable (granitiques)

Nuisance considérable dans les îles coralliennes (malgré la quasi-absence d’Hommes)

Absence d’anophèles :� • Antarctique� • Islande, Féroé, Shetland� • Nouvelle Calédonie� • Iles de l’Océan pacifique central� • Les Seychelles

Hypothèse�Lien avec l’absence de mammifères terrestres autochtones(≠ chauves-souris)

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- Concept d’espèce - Questions de taxonomie - Absence anormale d’espèces - Introduction vs. colonisation Implantation durable (ou non) d’une population fonctionnelle

- Espèces invasives - Compétition entre espèces (exclusion compétitive) - Stratégies r et K, avec glissement de r (généraliste, forte dispersion et forte fécondité, candidat

à la colonisation) vers K (spécialisation, stabilité, résistant à l’envahisseur, candidat au maintien sur place) - Spéciation - Endémisme et extinction


Le SWOI est une échelle pertinente pour aborder la biodiversité des moustiques

Les moustiques forment un groupe suffisamment vaste et différencié pour aborder la plupart des grandes questions relatives à la biodiversité:

Conclusion 31/46

Plan

•  Les anophèles constituent un élément de la biodiversité (illustrations aux Seychelles et à Madagascar)

•  Les Plasmodium n’ont pas de phase libre (illustrations chez les Apicomplexa)

•  La transmission vectorielle impacte le R0 (illustrations dans le cadre de l’éradication mondiale des Plasmodium humains)

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Les Plasmodium n’ont pas de phase libre

Le destin des Plasmodium est lié à celui des hôtes vertébrés tout autant qu’à celui des hôtes vecteurs

==> notion de co-évolution ==> notion de transfert d’hôte (vertébré ou vecteur)

Pourtant les ancêtres Apicomplexa des Plasmodium présentaient une phase libre

illustrations et contre-exemples chez les Apicomplexa) Explique comment a pu se mettre en place le cycle parasitaire si compliqué des Plasmodium ?

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Cycle de Plasmodium humain

Homme

Foie

Sang

Anopheles

Glandes salivaires

Lumière du tube digestif

Hémolymphe

extérieur Milieu

Cycle d’eugrégarines de blatte

Blatte

(Spo

rocy

ste)

Lumière du tube digestif

fécondation Les Plasmodium seraient originellement des parasites d’insectes qui ont secondairement

colonisé un/des vertébré(s).

Plasmodium sp.

sp.2 Haemoproteus sp.

Plasmodium falciparum

sp.1

Parahaemoproteus sp.

Exemples d’Apicomplexa à transmission vectorielle

Hepatozoon

Leucocytozoon sp. Egalement: Polychromophilus, Bioccala, Nycteria, …

Hepatocystis sp.

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Présence de pigment hémozoïne dans les cellules

Acquisition de la schizogonie sanguine

1

Evolution des parasites, des hôtes définitifs et intermédiaires

- les petites flèches indiquent les changements de vecteurs et les nombres indiquent les ordres successifs de ces changements,

- la taille du triangle correspond approximativement au nombre de taxa de parasites décrits pour chaque clade.

2

5

3

6

7

Leucocytozoon

Haemoproteus

Parahaemoproteus

Plasmodium

d’après Duval et al 2007 + Martinsen et al 2008

Oiseaux

Oiseaux ou Reptiles

Mammifères

Plasmodium falciparum

Simuliidae

Hippoboscidae

Ceratopogonidae

Culicinae

Phlebotominae

Anophelinae

Parasites Apicomplexa

Hôtes vertébrés

Hôtes Diptères

Phylogénie du parasite (cytochrom b)

Plasmodium de rongeurs

Oiseaux

Squamates (lézards+serpents)

Mammifères

Nycteribiidae

Chauves-souris

Polychromophylus

4

Hepatocystis

dont chauves-souris

Ceratopogonidae

8

Hepatocystis Ceratopogonidae

Plasmodium

Perte secondaire de la schizogonie sanguine

Chauves-souris

Chauves-souris

Dans la phylogénie:

Les Plasmodium n’ont pas de phase libre (Illustration et contre-exemple chez les Apicomplexa)

Il se dégage une compréhension de l’histoire évolutive monophylétique des Apicomplexa

Conclusion

L’apparition d’un nouveau genre (et a fortiori d’une nouvelle famille) de parasites Apicomplexa correspond à un double transfert d’hôtes vertébrés et d’hôtes vecteurs

Les hôtes vecteurs sont tous des Arthropodes hématophages (l’infection du vecteur se fait par ingestion de sang ou de lymphe lors de la piqûre)

La plupart du temps l’infection de l’hôte vertébré se fait par piqûre (et parfois par ingestion, comme les Hepatozoon)

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Plan

•  Les anophèles constituent un élément de la biodiversité (illustrations aux Seychelles et à Madagascar)

•  Les Plasmodium n’ont pas de phase libre (illustrations chez les Apicomplexa)

•  La transmission vectorielle impacte le R0 (illustrations dans le cadre de l’éradication mondiale des Plasmodium humains)

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La transmission vectorielle impacte le R0

Inversement, le R0 permet de ± prévoir le succès d’une opération de lutte (et d’éradication)

==> Quel est le R0 de Plasmodium falciparum ?

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Taux de reproduction de base R0

Ro désigne un nombre moyen de cas secondaires que peut donner un cas primaire, quand on introduit le parasite dans une population d’hôtes susceptibles.

Introduit par Macdonald (1957) Dans son modèle de transmission du paludisme (paramètre “z”)

•  R0 > 1 la population de parasites croît •  R0 = 1 la population de parasite se maintient égale à elle-même •  R0 < 1 la population de parasites décroît (jusqu’à disparaître)

Maladie

Rougeole Coqueluche Diphtérie Variole Polio Rubéole Oreillons VIH/SIDA Grippe (de 1918)

Mode de transmission

Dans lʼair Dans lʼair Salive Contact physique Ingestion matière fécale Dans lʼair Dans lʼair Contact sexuel Dans lʼair

R0

12-18 12-17 6-7 5-7 5-7 5-7 4-7 2-5 2-3

Source: Wikipédia

Macdonald G. (1957) : The epidemiology and control of malaria. London, Oxford University

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Pqr définition, un taux est compris entre 0 1 ==> R0 n’est pas véritablement un “taux”

Paramètres en relation avec les insectes ma : Densité agressive pour l’Homme (Nb de piqûres / homme/jour) a : Proportion de moustiques qui s’alimentent sur homme p : Taux quotidien de survie des moustiques b : Probabilité qu’un moustique infecté transmette (= proportion de piqûres infectées réellement infectantes)

Paramètre en relation avec le parasite n : Durée de la phase extrinsèque du parasite

Paramètre en relation avec l’Homme r : Taux de guérison journalier

R0 = m a2 b pn/-r Log(p)

Taux de reproduction de base R0 41/46

Objectif idéal : Ro < 1 R0 = ma2bpn/-r Log(p)

Contrôle du paludisme

Que faire ? Quelles méthodes? Diminuer ma (nombre de moustiques agressifs pour l’Homme)

Contrôle vectoriel, moustiquaire, zooprophylaxie ...

Diminuer a (anthropophilie) Diminuer le contact Homme /vecteur (moustiquaire, répulsifs…)

Diminuer le taux de survie des insectes p

Contrôle vectoriel, moustiquaires

Diminuer b (en gros = moustiques infectants)

Vaccination, chimio-prophylaxie

Diminuer 1/r, la période infectante chez l’Homme

Médicaments antimalariques

Augmenter n (durée de la phase extrinsèque)

??

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Exemple de calcul de R0 dans un cas simple

Paramètres en relation avec les insectes ma : Densité agressive pour l’Homme (Nb de piqûres / homme/jour) a : Proportion de moustiques qui s’alimentent sur homme (= taux d’anthropophilie / durée du cycle gonotrophique) p : Taux quotidien de survie des moustiques [=racine Lème du taux de parturité (= Nb de femelles pares divisé par le nombre de femelles pares+nullipares) avec L = durée du cycle gonotrophique] b : Probabilité qu’un moustique infecté transmette (= proportion de piqûres infectées réellement infectantes = 0,5 chez des sujets non-immuns (Rickman LS,…& Hoffman SL. Am J Trop Med Hyg 1990, 43: 441-445)

Paramètre en relation avec le parasite n : Durée (en jours) de la phase extrinsèque du parasite, elle même dépendant de la température (pour P. falciparum, n=8 jours à 30°; n=12 jours à 25°; n=23 jours à 20°)

Paramètre en relation avec l’Homme r : Taux de guérison journalier = proportion de la population humaine qui passe en un jour d’un état « infecté » à un état « non infecté, réceptif » (= inverse de la durée pendant laquelle un sujet infecté est infectant)

R0 = m a2 b pn/-r Log(p)

20 0,9

0,9

0,01

10

1/120

72

2 0,75

0,5

10

1/10

1,47

Avant Après Opération de lutte

0,75

R0 reste >1

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La transmission vectorielle impacte le R0 (illustrations dans le cadre de l’éradication mondiale des Plasmodium humains)

L’éradication est envisageable sous la condition d’un impact considérable d’une lutte ciblant la transmission simultanément : -  chez le vecteur (densité, longévité, anthropophilie) -  chez l’Homme (quantité de parasites = gamétocytes)

Localement, l’impact doit être >> à une opération de lutte conventionnelle

Conclusion

La difficulté d’estimer la prémunition limite toutes les approches modélisatrices du paludisme ---> Les observations in situ prévalent sur les prédictions mathématiques

Conclusion théorique

Conclusion pratique

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Les anophèles : hôtes et vecteurs de Plasmodium

Health & Medicine

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