2019-08-19 07:41:10新京报 记者:韩沁珂 编辑:王婧祎
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蚊子“无间道”: 一场防控登革热的“绝后”科学战

2019-08-19 07:41:10新京报 记者:韩沁珂

“特工”是一群精力旺盛的年轻雄蚊,它们野心勃勃地来到沙仔岛,要和岛上的“土著”雄蚊争夺与雌蚊们的交配权,一旦得手,它们体内的“生化武器”能够让雌蚊“绝后”,降低传病蚊子的种群数量,进而达到防控登革热的目的。

8月13日,研究人员正在成蚊车间进行日常检查。 新京报记者 韩沁珂 摄


2015年3月,一群科学家带着几万名神秘“特工”来到了广州沙仔岛。


沙仔岛是广州的一处离岛,面积约3平方公里,与广州仅有一桥相连。这里气候温暖潮湿,草木繁盛,堪称蚊子的天堂。沙仔岛的岛民一直饱受蚊子困扰,每晚出去遛弯儿,几乎总会带上几个红疙瘩回来。


看似微不足道的蚊子,实则是地球上最致命的动物。据世界卫生组织2016年通报,全球每年有超过72万人因蚊子而死。这一数字超过最致命动物排行榜第2至10名致死人数的总和。


即使到了2017年,全球人口中仍有2/5面临蚊子传播的登革热威胁。广东省曾在2014年大规模爆发过一次登革热疫情,当时感染人数超过4万人。


科学家们此行的目的,就是让这群神秘“特工”来消灭传播登革热的蚊子。


“特工”是一群精力旺盛的年轻雄蚊,它们野心勃勃地来到沙仔岛,要和岛上的“土著”雄蚊争夺与雌蚊们的交配权,一旦得手,它们体内的“生化武器”能够让雌蚊“绝后”,降低传病蚊子的种群数量,进而达到防控登革热的目的。


一年后,它们取得了压倒性的胜利。


“特工”们来自广州的一座巨大的蚊子工厂,由中山大学-密歇根州立大学热带病虫媒控制联合研究中心的科学家们耗费数年制造。今年7月末,他们的最新研究成果发表在顶级学术期刊《自然》上。


制造“特工始祖”


全球已命名的蚊子超过3500种,但会叮咬人类并吸食人血的只是很少一部分。


在咬人的蚊子中,白纹伊蚊是登革热和寨卡病毒病的主要传播媒介之一。因此,科学家们选中了白纹伊蚊,准备将其培养成为“特工”。


在中国,这种蚊子主要分布在广东和海南地区,随着交通便利、人员流动增加,分布范围也扩大到北方多地。


要想成为“特工”,需要体内稳定携带一种“生化武器”——某种特殊的沃尔巴克氏体。


沃尔巴克氏体是一种细菌,有多种型别,在节肢动物体内广泛存在,不会感染人类。中山大学-密歇根州立大学热带病虫媒控制联合研究中心主任奚志勇告诉新京报记者,就像人类肠道内的益生菌一样,沃尔巴克氏体也可以共生在蚊子体内。


这种菌之所以能成为蚊子界的“生化武器”,是因为其具备一种“绝后”的特性——携带不同型别的沃尔巴克氏体的雌雄蚊子交配后,产生的卵不发育。这一特性也是奚志勇制造“特工”的生物学基础。


广州的白纹伊蚊,每只体内都携带有两种型别的沃尔巴克氏体。如果能培育出一种雄蚊,体内携带第三种型别的沃尔巴克氏体,让它们去和本地雌蚊交配,产生无法发育的卵,不就可以让蚊子“绝后”了吗?


8月13日,蚊子工厂保种间内的蚊子。 新京报记者 韩沁珂 摄


原理看似简单,实现却很困难。


科学家们从其他蚊种体内得到了第三种型别的沃尔巴克氏体,然而,如何将其注射到蚊子体内,在不影响蚊子生存的前提下还能实现稳定遗传,成了困扰科学家们的难题。


“蚊子的生殖系统是沃尔巴克氏体含量最高的地方。”奚志勇说,需要在胚胎阶段,把菌注射到未来将会发育成生殖系统的地方,这样菌就可以和生殖细胞共同发育。


一枚蚊卵的长度只有1-2毫米左右,15万枚卵仅有1克重。要在这么小的卵上找准生殖系统发育的位置,并完成注射,这对研究人员的操作水平要求极高。


将直径1毫米的石英针打磨到更细,在放大200倍的显微镜下进行注射。奚志勇表示,不仅要扎得准,还要扎得快。注射的最佳时间是蚊子卵产下后的60-90分钟内,为了给注射操作争取更多的时间,研究人员通过降温来减缓胚胎的发育速度。在胚胎注射室,室温被保持在18-20℃,比蚊子发育的最适宜温度低了10℃左右。


这是一项熟能生巧的工作。“最开始的时候,一天也就注射十几个。”一位实验室研究人员说,后来,大家操作越来越娴熟,最多每个小时可以完成约100枚蚊子卵的注射。


8月13日,蚊子工厂显微注射间内,研究人员正在对蚊卵进行胚胎注射。 新京报记者 韩沁珂 摄


然而,注射只是第一步。因为后期要在户外大规模释放,需要的“特工”蚊子数量极大,仅靠科研人员注射生产远远不够,需要此类蚊子自身之间可以繁衍,在实验室内生出大量的后代才能供得上。


但在最初,被注射的蚊子无法将体内的沃尔巴克氏体传给第二代。从2011年开始,奚志勇的团队在几年时间内注射了上百万个蚊卵,并对蚊子的胚胎进行了彻底的研究,经过无数次的失败,最终筛选出了可以稳定遗传的“特工始祖”。


奚志勇也因此成为全球第一个将沃尔巴克氏体转到登革病毒和疟疾控制的蚊子中并成功建立稳定共生的科学家。他表示,在胚胎注射技术领域,他所在的团队仍然保持全球领先地位。


几年艰难的科研过程中,研究人员甚至对蚊子产生了感情。为了养活这些来之不易的“蚊才”,有的科研人员会让蚊子在自己手上吸血,因为吸食过人血的蚊子通常比吸食动物血液的蚊子更具活力。


繁殖“蚊子蚊孙”


有了“特工始祖”,可以让它们大量繁殖“蚊子蚊孙”了。


一只“特工”的成长分为卵、幼虫、蛹、成虫四个阶段,都在实验室内进行。广州黄埔区科学城内有一处全球最大的蚊子工厂,占地3500平方米,这里就是批量制造“特工”的基地。


在产卵区,银色金属纱网蚊子笼密密麻麻并排摆放着,每个笼子里有约1.6万只蚊子,为提高繁殖效率,其中近四分之三是雌蚊。


雌蚊“专情”,从一而终,一生只交配一次,雄蚊“多情”,可以多次交配。


待蚊子交配后,研究人员会给蚊子喂食羊血,1万多只雌蚊一顿可以消灭十几毫升的血。吃饱血后,雌蚊会产卵,一次产下上百枚。这些卵会粘在笼子底摆放着的湿润纸条上。每隔几天工作人员来收取,一张纸条上的卵可多达数十万枚。


粘附在纸条上的蚊子卵。 新京报记者 韩沁珂 摄


在工作人员喂食和取卵的过程中,不甘身陷囹圄而趁机出逃的蚊子不在少数。新京报记者在短暂的探访过程中,虽然身着长袖防护衣和长裤,也遭遇了蚊子的三次叮咬。不过,等待这些漏网之蚊的只有死路一条,工厂里不少房间内都配备了电蚊拍。


雌蚊产下的卵被分置于装有培养液的瓶中,紧接着被送入幼虫饲养车间。


那是一个空气中弥漫着发面团酸味儿的车间。为了节约空间,一个个“水盘”像碟片一样叠摞在一人多高的架子上。带着养蜂面罩的工作人员将培养瓶里的液体和卵一同倒入水盘,然后再倒入黄褐色的“营养液”,这些卵很快就会变成孑孓,也就是蚊子的幼虫。


8月13日,工作人员将新的蚊卵倒入刚清理过的“水盘”中。 新京报记者 韩沁珂 摄


经过约5天的自然发育,孑孓们将会发育成蛹,在这个阶段,蚊子的适应能力有所提升,可以离开水一段时间。研究人员将趁这段时间对其进行雌雄分离,选拔出目标培养对象——雄性“特工”。


蚊子的雌雄差异在这一阶段格外明显。雄蛹比雌蛹要小,雄蚊头胸宽在1.05毫米-1.2毫米之间,雌蚊则大概是1.3毫米-1.4毫米,且雄蚊羽化时间比雌蚊早,此外,雌雄蛹对不同剂量射线的敏感程度也有所不同。这些差异都为选拔提供了依据。


工作人员首先利用大小差异,通过水流和筛网对蛹进行物理分离,这一步骤分离率超过99%。在随后的辐射阶段,漏网的不到1%的雌蛹也会被剔除出来。


2016年,世界上首台专门用于蚊子雌蛹辐射处理的X光射线仪在蚊子工厂投入使用,处理能力达每小时60万只。


8月13日,工作人员操作自动化设备对雌雄蛹进行分离。 新京报记者 韩沁珂 摄


在这个阶段,实验室的质检员们会对通过筛选的“特工”进行抽检,以再次确认它们的性别。每隔两三个月,质检员们还会检查一下,第三种型别的沃尔巴克氏体是否还存在在蚊子体内。


通过选拔的雄性蚊蛹将被送往成虫饲养车间。两天后,它们将完成羽化,变成人们熟悉的蚊子的样子。


在成虫饲养车间,一排排纱网有序地挂在架子上,像一艘艘航母,装满了即将奔赴战场的“特工”雄蚊。它们将以最快的速度被送往战场,同雌蚊交配。


“蚊海战术”


从2014年6月开始,“特工”们已经进行过多场演习。2015年3月,第一场蚊子大战在沙仔岛正式开打。


之所以称之为战争,是因为每只雌蚊一生只会选择一位伴侣。它们会选择本地“土著”雄蚊,还是选择携带着“生化武器”的“特工”雄蚊?


“特工”们必须想尽一切办法获得这场交配权战争的胜利。


科研人员首先采取的是“蚊海战术”,以数量取胜。经过测算,研究人员认为,按照试验地雄性野生白纹伊蚊数量的5倍释放“特工”雄蚊,可以达到比较理想的效果。“让每只雌蚊身边都围绕着多只我们的雄蚊。”奚志勇称。


“特工”的身体素质也格外重要。年轻力壮的雄蚊将更能获得雌蚊的青睐。“特工”奔赴战场之前,科研人员会奉上糖水供其饱腹,确保它们拥有足够的能量。


雌雄蚊子之间的吸引力是天然的,释放后,“特工”们将会自发寻找雌蚊。考虑到白纹伊蚊主要在白天活动,雄蚊在野外存活时间约2周,释放后3-4天内交配能力较强,试验团队在3月至10月蚊子活跃期间,每隔3天就会在清晨释放7万-10万只雄蚊。研究人员除了步行或开三轮车沿路释放,也会选择在植物茂盛的潮湿处定点释放。


为了让“特工”们能以最快速度和最佳状态抵达现场,团队选择让它们在睡梦中急行军。运输过程中,温度将降低到10℃左右。“特工”们会进入睡眠状态,一个紧挨一个缩成一团。“如果能维持低温,航空运输的话,几个小时是没问题的。”工作人员表示,到了战场,蚊子将在常温下苏醒过来,投入战斗。


经过将近一年的艰苦斗争,“特工”们最终获得了胜利。从现场试验的效果来看,奚志勇团队在沙仔岛的成虫压制效果达97%。也就是说,在不使用灭虫剂的情况下,试验区白纹伊蚊的数量只有对照区的3%。


初战告捷,“特工”们又乘胜追击,开辟了第二战场,位于广州番禺的大刀沙岛。


2年后,大刀沙岛战区的野生白纹伊蚊种群几乎全被清除,每年野生蚊种的数量平均减少了约83%-94%,且在长达6周内都监测不到任何白纹伊蚊。这一结果远优于使用农药等传统灭蚊技术的对照区。


“我们所说的清除是指在人类聚居区建立起一个无蚊或接近无蚊的人类保护区,不是在生态上去掉某一蚊种。”奚志勇表示,无需担心杀灭这种蚊子会对生态链产生破坏。


另一种担心来自岛民,“居民通常会担忧释放大量蚊子会给生活带来不便。普通人对蚊子的了解不多,甚至不知道雄蚊子不会咬人。”一位参与社区沟通的研究人员表示,他们需要在前期进行充分的社区沟通工作,取得岛民的理解和配合。


扩大战场


在两处小岛取得胜利后,“特工”们转战内陆,开始更大规模的实战应用。


从去年开始,广州市区内的“以蚊治蚊”试点已经逐步展开。广州市疾控中心副主任张周斌告诉新京报记者,他们在白云区选择了一处登革热疫情反复发作的区域作为试点。


张周斌说,过去,用药物杀蚊、清除蚊子滋生地是控蚊、防控登革热的主要方式。然而对于包括城中村和老旧小区在内的城市复杂地形,传统杀蚊方法效果有限。“像握手楼之间的沟渠、天台积水等地方都难以清理到位,这也会造成部分疫点登革热疫情的持续反复。”


蚊子“特工”投放一年后,张周斌称,就这一年的情况来看,控蚊效果已逐步显现,对于登革热的防治效果也在预期之中。他表示,试点将首先从传统防治方法难以处理的疫点开始,逐步扩大范围。


奚志勇团队也在改进“特工”投放方法,考虑到城市中高层建筑较多,在小岛上骑着三轮车释放蚊子的方式将不再适用。奚志勇表示,如果“陆军”效果有限,引入“空军”将是必要的。


在他看来,比较理想的释放方式是在目标区域制高点以上几十米的高度用无人机进行释放。“这样可以在4分钟内完成约22公顷范围内的均匀释放。”


奚志勇说,“以蚊治蚊”技术绿色环保,还可以帮助解决大量使用杀虫剂后蚊子会产生抗药性问题,“我们可以通过这种方式根除具有抗药性的种群”,一些因长期使用而杀虫效果逐渐减弱的农药或许会因此获得再次投入使用的机会。


蚊子“特工”们在广州取得的胜利正在引发全球关注。全球最大的种子农药公司德国拜耳正在与奚志勇团队进行沟通,希望合作开发微生物农药。此外,美国的多家化学杀虫剂企业也在关注这一技术的进展。


此前有一项市场研究预计,2016年至2021年,生物农药市场价值将维持18.3%的复合年均增长率,到2021年,该市场份额可达31.8亿。


目前,广州的蚊子工厂正逐步成为绝育蚊技术培训及输出的中心,工厂本身也作为样本被复制到多个地方。一位长期驻扎在孟加拉国的工作人员在参观蚊子工厂后表示,希望将技术和工厂引进到“一带一路”国家。


不过,想要拓展到更大范围的战场,“特工”们还面临一些困难。


中国疾控中心传染病防治控制所媒介生物控制室主任刘起勇告诉新京报记者,“如何在长距离运输中保持蚊子的活力,如何在无人机释放过程中进行协调控制,这些都有待进一步解决。”


此外还有成本问题。奚志勇说,“以蚊灭蚊”技术在前期试验中主要关注科学性的验证,并未把重点放在成本控制上,但是随着使用范围的扩大,生产、运输、释放各环节的优化,成本有必要逐渐降低。


广州的蚊子工厂已经准备好养成更多“特工”。工厂工作人员表示,车间目前只占用了不到一半,还有快速扩产的空间。


在成功培养白纹伊蚊“特工”之后,奚志勇团队还在试图培养库蚊“特工”、稻飞虱“特工”和柑橘飞虱“特工”。这些物种有着与白纹伊蚊类似的生长过程和习性,新“特工”的养成将为农业害虫绿色防控做出贡献。日前,湖南省农业科学院(湖南省水稻研究所)已经就相关技术与奚志勇团队展开合作。

柑橘飞虱的保种间,灯光被设置为模拟其生活环境的红色。 新京报记者 韩沁珂 摄


新京报记者 韩沁珂

编辑 王婧祎 校对 刘越


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