Advancing the sterile insect technique for tsetse (diptera: glossinidae): exploring alternative radiation sources and protocols

Abstract

Insect pests are responsible of public health concerns as well as economical losses throughout the world. Their control has been developed and regularly improved with targeting their containment, suppression, or eradication. Tsetse flies are responsible of the transmission of African Animal Trypanosomosis or nagana in animals and Human African Trypanosomosis or sleeping sickness in humans and constitute an obstacle of the agriculture development in around 10 million km2 of land in Africa. In face of the constraints of the resistance to the trypanocides used to treat the cases and the persisting impact of the scourge, several methods of control of the disease and the vectors have been developed. These methods encompassing the preventive treatment, the use of trypanotolerant breeds and the vectors control through the spraying of insecticide and the use of bait technology have been deployed. Lastly, the sterile insect technique (SIT) which was successfully used against the new world screw worm has been successfully tested in an integrated pest management against tsetse. Regarding the principle of the SIT based of the release of male sterilized with ionizing radiation that compete with wild counterparts to mate wild females with no offspring expectation, the sterilization is a key point for an SIT program establishment. Gamma rays have been traditionally used in SIT against various insect pests. However, gamma-ray sources are facing a growing restriction about the purchase, the shipment, and the transport of isotope for reloading the irradiators since regulations about these aspects are becoming stringent. Therefore, alternative radiation sources are needed for the ongoing and future SIT programmes. X-rays, initially tested since the discovery of Knippling are shown as an alternative radiation source that could circumvent the aforementioned constraints. Thus, this thesis aimed to advances insect pest management through the alternatives and safe ionizing radiation sources and protocols for the SIT. For this purpose, the suitability of some available X-rays sources has been assessed on tsetse, fruit flies and mosquitoes. In addition, and in relation to the refinement of the existing protocols, an assessment of radiation under cold and low oxygen environment or fractionating radiation dose were evaluated. Key parameters such the adult emergence rate, the induced sterility, the flies flight propensity, their survival, and mating competitiveness have been measured. The results indicates that the Blood irradiator Raycell Mk2, the Rad Source 2400 and the X-Rad 320 Precision are suitable to induce 95-99% of sterility, required for the use for the SIT in tsetse as compared to gamma-rays. To induce 95% of sterility in Glossina palpalis gambiensis, X-rays irradiators requires less radiation dose compared to the optimal dose of 110 Gy for gamma-rays in air. In addition, there was no significant difference in the flight quality parameters and the mating competitiveness of flies irradiated with X-rays as compared to those irradiated with gamma-rays. Assessing the impact of the dose fractionation using gamma-rays, there was no significant effect on induced sterility and flight quality parameters when the optimal dose was split into 10+100 Gy or 50+60 Gy separated by 1-, 2-, or 3-day interval. The same results have been obtained when splitting the optimal dose in equal dose of 55 Gy separated by 4-, 8-, or 24-hour interval. The nitrogen treatment exhibited a radioprotective effect, necessitating increased doses of 115 Gy and 135 Gy to achieve at least 95% sterility in male G. p. gambiensis when exposed to X- and gamma-rays, respectively, as compared to radiation in ambient air. In addition, the survival time under feeding regime was significantly increased. In the context of irradiation temperature, the results indicate that the X-RAD 320 effectively induced at least 95% sterility. Approximately 75 Gy and 90 Gy were required for pupae at 7 °C and ambient temperature, respectively, while adults needed 90 Gy in both treatments. Whether the flies were irradiated under chilled or non-chilled conditions, those irradiated as adult survived longer than those irradiated as pupae revealing the importance of the choice of the life stage to be sterilized. These findings significantly contribute to the discussion on the importance of implementing dose-response assessments for both new and ongoing programs, emphasizing the necessity of employing a reliable dosimetry system. The dual considerations of cost-effectiveness and the complexity of the SIT pose challenges, requiring the commitment of policymakers and governments. Additionally, there is a need for addressing concerns related to mass production and quality control from the perspective of researchers. The engagement of stakeholders and capacity building are emphasized as crucial elements. In conclusion, recommendations and perspectives are offered, addressing the selection of irradiation sources, and advocating for a realistic and beneficial integrated pest management approach.

Insekten als Schädlinge sind weltweit für Gesundheitsprobleme und finanzielle Einbußen verantwortlich. Verschiedene Ansätze der Schädlingskontrolle wurden bereits entwickelt und werden laufend verbessert indem gezielt auf ihre Eindämmung, Unterdrückung oder Ausrottung gesetzt wird. Tsetsefliegen sind verantwortlich für die Übertragung von Trypanosoma. Trypanosoma ist ein Protozoenparasit, der die afrikanische Tier-Trypanosomosis, auch genannt Nagana, in Tieren auslöst. Desweiteren löst der Parasit auch bei Menschen Trypanosomosis, auch Schlafkrankheit genannt, aus. Dies ist ein Problem für die landwirtschaftliche Entwicklung in mehr als 10 Millionen Quadratkilometer Landfläche in Afrika. Trypanozide werden verwendet um die Krankheit zu bekämpfen, aber in Anbetracht der entwickelten Tryipanozidresistenz und den anhaltenden negativen Folgen dessen wurden verschiedene Methoden zur Bekämpfung der Krankheit und der Vektoren entwickelt. Diese Methoden umfassen die vorbeugende Behandlung, den Einsatz trypanotoleranter Rassen (Kühen) und der Vektorenbekämpfung durch das Versprühen von Insektiziden und dem Einsatz von der Ködertechnologie. Schließlich wurde die Sterile-Insekten-Technik (SIT), die schon erfolgreich gegen die Neuwelt-Schraubenwurmfliege eingesetzt wurde, auch erfolgreich in einem integrierten Schädlingsmanagement gegen Tsetsefliegen getestet. Das Prinzip der Sterilen-Insekten-Technik basiert auf der Freilassung von mit ionisierender Strahlung sterilisierten Männchen, die mit wilden männlichen Artgenossen um die Begattung wilder Weibchen konkurrieren. Kommt es zur Fortpflanzung mit einem sterilisierten Männchen, gibt es keine Nachkommen. Daher ist eine erfolgreiche Sterilisation ein zentraler Punkt für die Einrichtung eines SIT-Programms. Gammastrahlen werden traditionell bei SIT gegen verschiedene Insektenschädlinge eingesetzt. Allerdings unterliegen Gammastrahlen zunehmenden Einschränkungen hinsichtlich des Kaufs, des Versands und des Transports von Isotopen zum Nachladen der Bestrahlungsgeräte, da die Vorschriften zu diesen Aspekten immer strenger werden. Daher werden für die laufenden und zukünftigen SIT-Programme alternative Strahlungsquellen benötigt. Röntgenstrahlen, die schon seit Beginn der Entdeckung der SIT getestet worden sind, erweisen sich als alternative Strahlungsquelle, die die oben genannten Einschränkungen umgehen könnte. Daher ist es das Ziel dieser Doktorarbeit, die Insektenschädlingsbekämpfung durch alternative und sichere ionisierende Strahlungsquellen und Protokolle für die SIT voranzutreiben. Zu diesem Zweck wurde die Eignung der verfügbaren Röntgenstrahlung an Tsetsefliegen, Fruchtfliegen und Mücken beurteilt.Zusätzlich, und im Zusammenhang mit der Optimierung der bestehenden Protokolle, wurde die Auswirkung der Strahlung in einer kalten und sauerstoffarmen Umgebung oder mit einer fraktionierten Strahlungsdosis bewertet. Schlüsselparameter wie die induzierte Sterilität, die Flug-Fähigkeit der Fliegen, ihr Überleben und ihre Paarungskonkurrenzfähigkeit wurden gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Blutbestrahlungsgerät Raycell Mk2, die Rad Source 2400 und das X-Rad 320 geeignet sind, mindestens 95–99% Sterilität herbeizuführen, die für die Verwendung in der SIT bei Tsetsefliegen erforderlich ist. Um eine Sterilität von 95% zu erreichen, benötigen Röntgenbestrahlungsgeräte eine geringere Strahlendosis im Vergleich zur optimalen Dosis von 110 Gy bei Gammastrahlen. Darüber hinaus gab es keinen signifikanten Unterschied in den Flugqualitätsparametern und der Paarungskonkurrenzfähigkeit von Fliegen, die mit Röntgenstrahlen bestrahlt wurden, im Vergleich zu denen, die mit Gammastrahlen bestrahlt wurden. Bei der Beurteilung der Auswirkung der Dosisfraktionierung mithilfe von Gammastrahlen ergab sich kein signifikanter Effekt auf die induzierten Sterilitäts- und Flugqualitätsparameter, wenn die optimale Dosis in 10+100 Gy oder 50+60 Gy aufgeteilt und durch 1-, 2- oder 3-Tages-Intervalle geteilt wurde. Die gleichen Resultate wurden erzielt wenn die optimale Dosierung auf zu gleichen Teilen von 55 Gy aufgeteilt wurde und in einem 4,-8 oder 24 Stunden Intervall angewendet wurde. Die Stickstoffbehandlung zeigte eine strahlenschützende Wirkung und erforderte erhöhte Dosen von 115 Gy bei Röntgenstrahlen und 135 Gy bei Gammastrahlen, um bei männlichen Glossina palpalis gambiensis eine Sterilität von 95 % zu erreichen. Diese Ergebnisse stehen im Vergleich zur Verwendung der Strahlen in Raumluft. Darüber hinaus verlängerte sich die Überlebenszeit der Fliegen die regelmäßig gefüttert wurden. Im Zusammenhang mit der Bestrahlungstemperatur deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das X-RAD 320 eine Sterilität von mindestens 95 % herbeiführte. Für Puppen waren bei 7 °C etwa 75 Gy erforderlich und bei Raumtemperatur 90 Gy. Unterdessen benötigten erwachsene Fliegen bei beiden getesteten Temperaturen 90 Gy. Unabhängig davon, ob die Fliegen unter gekühlten oder nicht gekühlten Bedingungen bestrahlt wurden, überlebten diejenigen, die als Adulttiere bestrahlt wurden, länger als diejenigen, die als Puppen bestrahlt wurden, was zeigt, wie wichtig die Wahl des zu sterilisierenden Lebensstadiums ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen erheblich zur Diskussion über die Wichtigkeit der Implementierung von Dosis-Wirkungs-Bewertungen sowohl für neue als auch für laufende Programme bei und unterstreichen die Notwendigkeit des Einsatzes eines zuverlässigen Dosimetriesystems. Der Aspekt der Kostenwirksamkeit und die Komplexität des SIT stellt Herausforderungen dar, die das Engagement von politischen Entscheidungsträgern und Regierungen erfordern. Darüber hinaus müssen sich Forscher weitere Gedanken über die Optimierung von Massenproduktion und Qualitätskontrolle machen. Als entscheidende Elemente werden die Einbindung von Stakeholdern und der Kapazitätsaufbau hervorgehoben. Abschließend werden Empfehlungen und Perspektiven gegeben, die sich mit der Auswahl von Strahlungsquellen befassen und sich für einen realistischen und vorteilhaften integrierten Schädlingsbekämpfungsansatz einsetzen.