Umeå University's logo

Background Climate change, global travel and trade have facilitated the spread of Aedes mosquitoes and have consequently enabled the diseases they transmit (dengue fever, Chikungunya, Zika and yellow fever) to emerge and re-emerge in uninfected areas. Large dengue outbreaks occurred in Athens in 1927 and in Portuguese island, Madeira in 2012, but there are almost no recent reports of Aedes aegypti, the principal vector, in Europe. A dengue outbreak needs four conditions: sufficient susceptible humans, abundant Aedes vector, dengue virus introduction, and conducive climate. Can Aedes aegypti establish themselves again in Europe in the near future if they are introduced? How do the current and future climate affect dengue transmission globally, and regionally as in Europe? This thesis tries to answer these questions.

Methods Two process-based mathematical models were developed in this thesis. Model 1 describes a vector’s ability to transmit dengue – vectorial capacity – based on temperature and diurnal temperature range (DTR). Model 2 describes vector population dynamics based on the lifecycle of Aedes aegypti. From this model, vector abundance was estimated using both climate as a single driver, and climate together with human population and GDP as multiple drivers; vector population growth rate was derived as a threshold condition to estimate the vector’s invasion to a new place.

Results Using vectorial capacity, we estimate dengue epidemic potential globally for Aedes aegypti and in Europe for Aedes aegypti and Aedes albopictus. We show that mean temperature and DTR are both important in modelling dengue transmission, especially in a temperate climate zone like Europe. Currently, South Europe is over the threshold for dengue epidemics if sufficient dengue vectors are present. Aedes aegypti is on the borderline of invasion into the southern tip of Europe. However, by end of this century, the invasion of Aedes aegypti may reach as far north as the middle of Europe under the business-as-usual climate scenario. Or it may be restricted to the south Europe from the middle of the century if the low carbon emission – Paris Agreement – is implemented to limit global warming to below 2°C.

Conclusion Climate change will increase the area and time window for Aedes aegypti’s invasion and consequently the dengue epidemic potential globally, and in Europe in particular. Successfully achieving the Paris Agreement would considerably change the future risk scenario of a highly competent vector – Aedes aegypti’s – invasion into Europe. Therefore, the risk of transmission of dengue and other infectious diseases to the mainland of Europe depends largely on human efforts to mitigate climate change.

Bakgrund Klimatförändringar tillsammans med en ökad frekvens av globala resor och handel har gynnat spridningen av Aedes-myggor och möjliggjort att de sjukdomar som de överför (dengue feber, Chikungunya, Zika och gul feber) etablerar sig i tidigare oinfekterade områden. Det två största utbrotten av dengue i Europa inträffade i Aten 1927 och på den portugisiska ön Madeira 2012 orsakades av Aedes aegypti, men i de allra flesta delar i Europa finns inga rapporter om Aedes aegypti. Ett utbrott av dengue kräver att fyra villkor uppfylls: tillräckligt mottagliga människor, rikligt med Aedes-vektorer, introduktion av dengue-virus, och ett gynnsamt klimat. En stor fråga idag är om Aedes aegypti kan etableras igen i Europa i ett förändrat klimat, och hur nuvarande och framtida klimatförhållanden möjligör dengue smittspridning globalt och regionalt i Europa. Denna avhandling försöker svara på dessa frågor.

Metoder Två processbaserade matematiska modeller utvecklades i arbetet med denna avhandling. En av modellerna beskriver vektorns förmåga att överföra dengue – vektorkapaciteten – baserat på temperatur och dyngstemperaturens varation (DTR). Den andra modellen beskriver vektorpopulationens dynamik baserat på myggans livscykel. Myggornas populationsdynamik och populationstäthet uppskattades med en modell baserat på enbart klimat, samt en modell baserat på klimat, mänsklig befolkning och BNP. Vektorgruppens tillväxthastighet härleddes som ett tröskelvärde för att uppskatta vektorernas invasionsbenägenhet till nya områden i takt med att klimatet förändras.

Resultat Med hjälp av vektorkapacitetmodellen uppskattade vi den epidemiska potentialen av dengue smittad av Aedes aegypti globalt och i Europa av Aedes aegypti och Aedes albopictus. Vi visar att den genomsnittliga temperaturen och DTR båda är viktiga för dengue myggornas kapacitet att starta epidemier, särskilt i tempererade klimatzoner, så som Europa. För närvarande är Syd-Europa tillräckligt gynnsamt för dengueepidemier vissa tider på året om myggpopulationerna är tillräckligt stora. Vi visat att Aedes aegypti möjligen kan etablera sig längs Europas södra utkanter idag. I slutet av detta århundrade kan invasionen av Aedes aegypti nå så långt norrut till mitten av Europa om vi inte begränsar klimatutsläppen mer än vad vi gör idag. Om vi följer klimatavtalet från Paris 2015 där den globala uppvärmningen begränsar till under 2 grader kan invasionen troligtvis förhindras, eller i vilket fall kraftigt begränsas i Europa.

Slutsats Ett varmare klimat kommer att öka antalet geografiska områdena i Europa som är gynnsamt för Aedes aegypti. Det kommer även öka tidsfönstret för vektorernas epidemiska potential globalt, och i synnerhet för Europa. En framgångsrik implementering av klimatavtalet från 2015, som riktar sig mot att begränsa uppvärmingen till under 2 grader, skulle väsentligt minska risken för en framtida invasion av dengue, zika och chikungunya i Europa. Därför beror risken för dengueöverföring och andra infektionssjukdomar i södra Europa till stor del på mänskliga ansträngningar för att med utsläppsminskningar av växthusgaser kontrollera klimatförändringen.