The role of insecticides and repellents in protecting humans and as tools in the fight against vector- borne disease transmission

Abstract

[eng] Over the last century, vector-borne pathogens have spread to new areas, creating novel public health challenges. As major arthropod disease vectors, mosquitoes represent a significant, growing threat to human health due to their role in disease transmission. Personal protection products such as insecticides and repellents are useful tools available to the general public that can decrease disease incidence and mosquito-related nuisances by reducing contact frequency between mosquitoes and their hosts. However, European Union regulations have become increasingly strict because biocide use generates toxicological risks for human and environmental health. The doctoral research presented herein sought to 1) validate new laboratory and field methodologies and 2) explore alternative parameters and/or approaches for evaluating insecticides and repellents. To this end, four studies were conducted using Aedes albopictus (Skuse, 1894), Culex pipiens (Linnaeus, 1758), and human volunteers. The first study estimated the landing rate outdoors in an area infested with the Asian tiger mosquito (Ae. albopictus) and replicated this rate in the laboratory. More specifically, 16 study participants were exposed to mosquitoes in a highly infested region of Italy. These field results were compared to laboratory results obtained in 1) a 30-m3 room where 9 volunteers were exposed to different numbers of mosquitoes (15–50) and 2) a 0.064-m3 AIC test cage containing 200 mosquitoes. The highest mosquito landing rate in the field was 26.8 landings/min. In the room test, a similar landing rate was achieved using 15–20 mosquitoes and an exposure time of 3 min. In the AIC test, the landing rate was 229 ± 48 landings/min. This study is the first to concomitantly measure and compare Ae. albopictus landing rates in the field and laboratory. The second study assessed alternative laboratory methods for evaluating topical mosquito repellents and took place at three European testing laboratories. Each test utilised female Ae. albopictus and 30 study participants. First, a conventional AIC test and a sleeved AIC test were performed using exposed arm areas of 600 and 100 cm2, respectively, and cage volumes of 0.040 and 0.064 m3, respectively. Mosquito density was consistently 1 female/840 cm3. Second, room-based testing (40 ± 5 mosquitoes in 25–30 m3) was used as a proxy for field testing. A mosquito repellent (15% N,N-diethylm- toluamide) was employed at two doses: 1 and 0.5 g/600 cm2. The two new methods showed themselves to be good alternatives to conventional AIC testing and yielded reproducible protection times across laboratories. The third study used the room test to evaluate the effects of sublethal insecticide doses used in spatial treatments on mosquito fitness; protection against mosquito bites in humans; and toxicological risks to human and environmental health. This work employed a synthetic type I pyrethroid, prallethrin, at three sublethal doses (0.40 ± 0.01 mg/h, 0.80 ± 0.01 mg/h, and 1.60 ± 0.01 mg/h) and utilised colonies of Ae. albopictus and Cx. pipiens. The results showed that sublethal doses reduced mosquito survival, influencing population size in the next generation. The doses also provided 100% protection to human hosts and presented limited risks to human and environmental health. The fourth study explored how well sublethal doses of spatial repellents could protect people from bites outdoors. Two field experiments were performed in Italy in an area with high Ae. albopictus abundance using a synthetic type I pyrethroid, transfluthrin, in aerosol form. The first examined levels of protection for humans, and the second examined mosquito knockdown and mortality. Percent protection for humans remained high (>80%) at 5 h despite the absence of mosquito mortality at 1 h. This study showed that sublethal doses could be useful: they protected human hosts even when mosquito mortality was null.

[spa] Los mosquitos representan una amenaza importante y creciente para la salud humana debido a su papel en la transmisión de enfermedades. Productos de protección personal, como insecticidas y repelentes, pueden disminuir la incidencia de enfermedades y las molestias relacionadas con los mosquitos al reducir la frecuencia de contacto entre ellos y sus huéspedes. Sin embargo, la regulación de biocidas se ha vuelto cada vez más estricta debido a que su uso puede generar riesgos toxicológicos para la salud humana y medioambiental. La presente tesis doctoral buscó 1) validar nuevas metodologías de laboratorio y de campo y 2) explorar parámetros y/o enfoques alternativos para evaluar insecticidas y repelentes. Para ello se llevaron a cabo cuatro estudios utilizando Aedes albopictus (Skuse, 1894), Culex pipiens (Linnaeus, 1758) y voluntarios humanos. El primer estudio involucró a 16 participantes que evaluaron la tasa de aterrizaje de mosquitos en un área naturalmente infestada por Ae. albopictus. Los resultados obtenidos se compararon con estudios de laboratorio llevados a cabo en 1) una cabina de 30 m3 donde 9 voluntarios fueron expuestos a diferente número de mosquitos (15–50) y 2) una jaula de 0,064 m3 que contenía 200 mosquitos, test conocido como arm-in-cage (AIC). La tasa de aterrizaje de mosquitos más alta en el campo fue de 26,8 aterrizajes/min. El ensayo en la cabina logró una tasa similar utilizando 15 - 20 mosquitos y un tiempo de exposición de 3 min. En el AIC, la tasa fue de 229 ± 48 aterrizajes/min. Este estudio es el primero en medir y comparar tasas de aterrizaje en campo y laboratorio con Ae. albopictus. El segundo estudio exploró métodos de laboratorio alternativos para evaluar repelentes de mosquitos de uso tópico. Se realizó en cuatro laboratorios europeos; se utilizaron hembras de Ae albopictus y 30 participantes por configuración. 1) Se comparó resultados de protección con el AIC convencional (áreas de brazo expuestas de 600 cm2) versus el AIC con manguito (100 cm2) y volúmenes de jaula de entre 0,040 y 0,064 m3. La densidad de mosquitos fue de 1 hembra/840 cm3. 2) se utilizaron cabinas de entre 25– 30 m3 con 40 ± 5 mosquitos. Se empleó 15% N,N-dietil-m-toluamida en dos dosis: 1 y 0,5 g/600 cm2. Los dos nuevos métodos demostraron ser buenas alternativas al AIC convencional produciendo tiempos de protección reproducibles en todos los laboratorios. El tercer estudio evaluó en laboratorio los efectos de dosis subletales de insecticidas utilizadas en tratamientos espaciales sobre 1) el estado físico de los mosquitos; 2) protección contra las picaduras de mosquitos en humanos; y 3) riesgos toxicológicos para la salud humana y ambiental. Este trabajo empleó un piretroide sintético tipo I, praletrina, en tres dosis subletales (0,40 ± 0,01 mg/h, 0,80 ± 0,01 mg/h y 1,60 ± 0,01 mg/h) y utilizó colonias de Ae. albopictus y Cx. pipiens. Las dosis subletales redujeron la supervivencia de los mosquitos, redujeron el tamaño de la población y brindaron una protección del 100% a los huéspedes humanos. Además, presentaron riesgos relativamente bajos para la salud humana y ambiental. El cuarto estudio exploró cómo las dosis subletales de repelentes espaciales podrían proteger a las personas de las picaduras de mosquitos al aire libre. Se realizaron dos experimentos de campo en Italia en un área de alta abundancia de Ae. albopictus usando un piretroide tipo I sintético, transflutrina, en forma de aerosol. Primero examinó los niveles de protección para los humanos y el segundo evaluó la mortalidad de los mosquitos. El porcentaje de protección para humanos se mantuvo alto (>80%) a las 5 h a pesar de la ausencia de mortalidad de mosquitos después de 1 h de aplicación.

[cat] Els mosquits representen una amenaça important i creixent per a la salut humana degut al seu paper en la transmissió de malalties. Productes de protecció personal, com insecticides i repel·lents, poden disminuir la incidència de malalties i les molèsties relacionades amb els mosquits al reduir la freqüència de contacte entre ells i els seus hostes. Tot i això, la regulació de biocides s'ha tornat cada vegada més estricta pel fet de que el seu ús pot generar riscos toxicològics per a la salut humana i mediambiental. Aquesta tesi busca 1) validar noves metodologies de laboratori i de camp i 2) explorar paràmetres i/o enfocaments alternatius per avaluar insecticides i repel·lents. Es van dur a terme quatre estudis utilitzant Aedes albopictus (Skuse, 1894), Culex pipiens (Linnaeus, 1758) i voluntaris humans. El primer estudi va involucrar 16 participants per avaluar la taxa d'aterratge de mosquits en una àrea infestada per Ae. albopictus. Els resultats obtinguts es van comparar amb estudis de laboratori en 1) una cabina de 30 m3 on 9 voluntaris van ser exposats a diferent número de mosquits (15–50) i 2) una gàbia de 0,064 m3 que contenia 200 mosquits, test conegut com arm in cage (AIC). La taxa d'aterratge de mosquits més alta al camp va ser de 26,8 aterratges/min. L'assaig a la cabina va aconseguir una taxa similar utilitzant 15-20 mosquits i un temps d'exposició de 3 min. A l'AIC, la taxa va ser de 229 ± 48 aterratges/min. Aquest estudi és el primer a mesurar i comparar taxes d'aterratge a camp i laboratori amb Ae. albopictus. El segon estudi va explorar mètodes de laboratori alternatius per avaluar repel·lents de mosquits dús tòpic. Quatre laboratoris europeus van repetir les probes amb d'Ae albopictus i 30 participants van particicpar per configuració. Es van comparar resultats de protecció amb l'AIC convencional (àrees de braç exposades de 600 cm2) versus 1) l'AIC amb mànega (100 cm2) i volums de gàbia d'entre 0,040 i 0,064 m3. La densitat de mosquits va ser de 1 femella/840 cm3. 2) cabines d'entre 25–30 m3 amb 40 ± 5 mosquits. Es va emprar 15% N,N-dietil-m-toluamida en dues dosis: 1 i 0,5 g/600 cm2. Els dos nous mètodes van demostrar ser bones alternatives a l'AIC convencional produint temps de protecció reproduïbles a tots els laboratoris. El tercer estudi va avaluar en laboratori els efectes de dosis subletals d'insecticides utilitzades en tractaments espacials sobre l'estat físic dels mosquits; 2) protecció contra les picades de mosquits en humans; i 3) riscos toxicològics per a la salut humana i ambiental. Aquest treball va emprar un piretroide sintètic tipus I, praletrina, en tres dosis subletals (0,40 ± 0,01 mg/h, 0,80 ± 0,01 mg/hi 1,60 ± 0,01 mg/h) i va utilitzar colònies d'Ae. albopictus i Cx. pipiens. Les dosis subletals van reduir la supervivència dels mosquits, van reduir la mida de la població i van brindar una protecció del 100% als hostes humans. A més, van presentar riscos relativament baixos per a la salut humana i ambiental. El quart estudi va explorar com les dosis subletals de repel·lents espacials podrien protegir les persones de les picades de mosquits a l'aire lliure. Es van fer dos experiments de camp a Itàlia en una àrea d'alta abundància d' Ae. albopictus usant un piretroide sintètic, tipus I, transflutrina, en forma d'aerosol. Primer es va examinar els nivells de protecció per als humans i segon es va avaluar la mortalitat dels mosquits. El percentatge de protecció per a humans es va mantenir alt (>80%) a les 5 h malgrat l'absència de mortalitat de mosquits després d'una hora de l’ aplicació.