Search

Emerging vector-borne infectious diseases pose one of the most significant global threats to human health. The outbreaks and burden of vector-borne infectious diseases are estimated to rise in the face of climate warming. Many emerging infectious diseases, such as COVID-19 and Ebola virus disease, are zoonoses; diseases caused by an agent transmitted between animals and humans, but these diseases are also followed by human-to-human transmission. In this thesis, we consider arthropod-borne infectious diseases, which are also zoonoses but in which humans are most commonly infected as dead-end hosts. Mosquitoes and ticks are vectors for numerous pathogens causing infectious diseases and are globally responsible for millions of human deaths each year. Most vector-borne diseases emerge in the subtropics and tropics, but endemic diseases are present also in northern latitudes. Due to climate warming, numbers of disease cases, and disease severity and also variety are expected to increase especially in Northern Hemisphere which become more suitable for vectors to spread. To avoid costs from the loss of human lives or money, there is a strong need to assess impacts on vector species and their habitats. It is a global responsibility to focus on improving vector control strategies, and disease prevention, first, to “ensure healthy lives and promote well-being for all at all ages” (The United Nations’ Sustainable Development Goal 3), but also to understand that human health is closely connected to animal health and environment (One Health- approach). As such, it is vital to produce new information on vectors’ and vector-borne disease’ (VBD) distributions and the influential factors on their emergence, particularly, in understudied regions. In this thesis, environmentally suitable areas for the mosquito and tick species of medical importance in boreal and tropical landscapes, and the risk areas for two endemic VBDs in Finland were identified for the first time. We utilized climate, vegetation, host and vector data known to affect emergence of these vectors and VBDs at varying spatial scales. To our knowledge, this is the first species distribution modelling (SDM) study on vector species which uses good quality host data, and there are only a handful of earlier studies which included suitability data of vectors to predict VBD occurrence. We used SDM approach with a suite of predictive modelling techniques in two different platforms to explore correlations in species-host-disease-environment relationships and to predict spatial patterns of vector distributions and VBD risk in Finland, and in Kenya. Although SDM approaches are widely used by international and national health agencies such as European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC), Centers for Disease Control and Prevention (CDC) and World Health Organization (WHO) in their vector control strategy and disease prevention programs, it is a new study approach in Finland with no earlier research. In tropical regions, including Kenya, where the need for vector control and disease prevention is highest, rural regions, particularly, remain understudied. Using data on mosquito collections in the Taita Hills region in Kenya, we found that Stegomyia (St., Aedes) and Culex (Cx.) genera, of which species are vectors of many significant pathogens in the tropics, are widely distributed across the region, both in villages and rural areas with rich and sparse vegetation. In Finland, we identified high-risk areas for tick-borne-encephalitis (TBE), one of the most severe endemic infectious disease in the country, based on environmental and host data, and under current and future climate. Future climate forecasts indicated a wider geographical extent of TBE risk especially in southern and western coast, and southern Lapland. We also identified environmentally suitable areas for the potential SINV vectors Aedes (Ae.) cinereus/geminus, Cx. pipiens/torrentium and Culiseta (Cs.) morsitans in Finland, and estimated the risk areas for SINV infections on environmental, host and produced habitat suitability data on vectors. Municipalities with an increased risk for SINV infections were characterized by high environmental suitability for Ae. cinereus/geminus, high densities of black grouse, capercaillie and hazel grouse, a high proportion of mixed forest in peatlands, and a high number of lakes. The risk of transmission was predicted to be greatest in eastern and central Finland, along the western coast up to southern Lapland in latitudes between 61–64°N. Two tick species; Ixodes (I.) ricinus and Ixodes (I.) persulcatus are responsible of transmitting TBE virus (TBEV) in Finland, and we estimated their distributions utilizing historical data, and newly collected ticks, of which we also screened pathogens TBEV and Borrelia burgdorferi sensu lato (b.s.l.). In these ticks, we found none positive for TBEV, but ≈ 47 % of the tick pools were positive for Borrelia b.s.l. High suitability areas for I. ricinus occurred throughout southern and central Finland up to Central Ostrobothnia (64°N), excluding the narrow areas in Ostrobothnia and Pirkanmaa. For I. persulcatus, the regions northwards from Ostrobothnia along the northern coast up to southern Lapland (66°N), Kainuu, North Savo, North Karelia, and areas in Pirkanmaa and Päijät-Häme were estimated to be suitable areas. Based on the predictions, locations with higher air temperature, higher relative humidity, higher precipitation sum and middle infrared reflectance (MIR) levels, and higher densities of white-tailed deer, European hare and red fox were suitable for I. ricinus. For I. persulcatus, higher mean precipitation, higher densities of white-tailed deer, roe deer and mountain hare indicated higher probability of occurrence. Together, these results have implications for improving knowledge on disease prevention, applying geographic information systems (GIS) and SDM approaches for identifying risk areas and environmental determinants, optimizing the use of limited resources for mitigation strategies, and improving public health outcomes. This data is vital for better understanding of the current and future threats, and will help to find facts which assist the authorities in decision-making on correct and effective actions. The results can be applied to other regions located in similar environmental conditions to study regions. Within this work, we also created a framework in which multidisciplinary and multi-organizational data were combined to the same database. With the produced data, we researchers can prioritize the research topics and funding to correct targets and actions in future studies. During the ongoing and following decades, further actions and research are needed to combat new emergences of vectors and VBDs. Vector surveillance, vector distribution studies in space and time, and mapping risks of VBDs under current and future climate, are essential to gain deeper insights into the spatial nature of recent and future global threats for which we have a shared responsibility to combat. Uhkaavat vektorivälitteiset tartuntataudit ovat yksi suurimmista globaaleista uhkakuvista ihmisen terveydelle. Vektorivälitteisten tartuntatautien aiheuttaman taakan odotetaan lisääntyvän voimakkaasti ilmastonmuutoksen seurauksena. Monet uhkaavat tartuntataudit, kuten COVID-19 ja ebola, ovat alkujaan eläimistä ihmisiin tarttuvia tauteja, zoonooseja, jotka kykenevät edelleen siirtymään ihmisestä toiseen. Tässä työssä käsitellään niveljalkaisvälitteisiä infektiotauteja, jotka ovat myös zoonooseja, mutta joissa ihminen on useimmiten taudinaiheuttajan leviämisen kannalta umpikuja. Hyttyset ja puutiaiset ovat välittäjiä monille taudinaiheuttajille ja ovat vastuussa miljoonien ihmisten kuolemista vuosittain. Useimmat vektorivälitteiset tartuntataudit ilmaantuvat subtrooppisilla ja trooppisilla alueilla, mutta endeemisiä tartuntatauteja on aina esiintynyt myös pohjoisilla leveysasteilla. Tartuntatautilukujen ja vakavien tartuntatautien odotetaan kuitenkin lisääntyvän ilmaston lämpenemisen vaikutuksesta myös pohjoisella pallonpuoliskolla, jossa alueet tulevat suotuisimmiksi monien vektorilajien leviämiselle. Jotta ihmisten ja talouden menetyksistä maksettava hinta olisi minimoitavissa, tulee meidän arvioida nykytilannetta ja tulevia ilmaston lämpenemisestä johtuvia vaikutuksia vektorilajeihin ja niiden elinympäristöihin. Meillä on globaali vastuu keskittyä tartuntatauteja välittävien lajien ohjaus- ja lieventämisstrategioiden kehittämiseen sekä tartuntatautien ehkäisyyn, ei vain jotta ”kaikenikäisille taataan terveellinen elämä ja hyvinvointi” (YK:n kestävän kehityksen tavoite 3), mutta myös ymmärtääksemme, että ihmisen terveys on läheisesti yhteydessä eläinten terveyteen ja ympäristöön (One Health- näkökulma). Siksi on tärkeää tuottaa uutta tietoa vektorilajien ja vektorivälitteisten tautien levinneisyydestä ja näiden ilmaantumiseen vaikuttavista tekijöistä erityisesti alueilla, joissa aiempi tutkimus on vähäistä. Tässä työssä lääketieteellisesti merkittävien hyttys- ja puutiaislajien ympäristöllisesti soveltuvia alueita boreaalisella ja trooppisella alueella sekä kahden endeemisen vektorivälitteisen tartuntataudin riskialueita Suomessa arvioitiin ensimmäistä kertaa. Hyödynsimme ilmasto-, kasvillisuus-, isäntäeläin- ja vektorilajiaineistoa, joiden tiedetään vaikuttaneen kyseisten vektorilajien ja vektorivälitteisten infektiotautien ilmaantumiseen eri spatiaalisilla mittakaavoilla. Tietääksemme tämä työ on ensimmäinen vektorilajilevinneisyyteen liittyvä tutkimus, jossa hyödynnetään korkealaatuista isäntäeläinaineistoa. Lisäksi vain muutama aiempi tutkimus on sisällyttänyt vektorilajilevinneisyyden yhtenä muuttujana vektorivälitteisen taudin riskimallinnuksessa. Käytimme lajilevinneisyysmallinnusmenetelmää ja useaa ennustemallinnustekniikkaa kahdella eri mallinnusalustalla vektori-isäntä-tauti-ympäristö-välisten suhteiden korrelaatioiden tutkimiseen ja vektorilajien tilallisten kuvioiden sekä vektorivälitteisten tautiriskien ennustamiseen Suomessa ja Keniassa. Vaikka kansainväliset ja kansalliset terveysjärjestöt, kuten Euroopan tautienehkäisy- ja -valvontakeskus (ECDC), Yhdysvaltain tautikeskus (CDC) sekä Maailman terveysjärjestö (WHO) käyttävät laajasti lajilevinneisyysmallinnusta vektorivalvonta- ja tartuntatautien ehkäisemisohjelmissaan, lajilevinneisyysmallinnuksen ja terveyskysymysten yhdistäminen on uusi lähestymistapa Suomessa ilman aiempaa tutkimusta. Trooppisilla alueilla, kuten Keniassa, jossa tarve vektorivalvontaan ja tautien ehkäisemiseen on suurin, erityisesti kaukaisimmat maaseutualueet pysyvät tutkimattomina. Taita Hills- alueella Keniassa keräämäämme hyttysaineistoa hyödyntäen havaitsimme, että Stegomyia- (St., Aedes) ja Culex- hyttyssuvut, joiden lajit ovat vektoreita monille merkittäville taudinaiheuttajille tropiikissa, ovat laajasti levittäytyneet biodiversiteetiltään monipuolisen Taita Hillsin alueelle. Stegomyia- ja Culex-hyttysten arvioitiin esiintyvän niin vuoristoisilla maaseutualueilla kuin alangon kylissä runsaan ja harvan kasvillisuuden peittämillä alueilla. Tässä työssä tunnistimme myös puutiaisaivokuumetulehduksen, yhden vakavimman Suomessa esiintyvän infektiotaudin, riskialueita ympäristö- ja isäntälajiaineistoon sekä nykyisen ja tulevaisuuden ilmastoaineistoon pohjautuen. Tulevaisuuden ilmastoon pohjautuvat riskimallinnukset osoittivat maantieteellisesti laajemman puutiaisaivokuumetulehdusriskin esiintyvän erityisesti etelä- ja länsirannikolla sekä Etelä-Lapissa. Tunnistimme myös ympäristön kannalta soveltuvia alueita mahdollisille Sindbis- viruksen välittäjinä toimiville hyttyslajeille Aedes (Ae.) cinereus/geminukselle, Culex (Cx.) pipiens/torrentiumille sekä Culiseta (Cs.) morsitansille, sekä arvioimme sindbis-virusinfektion riskialueita. Korkea elinympäristön soveltuvuus Ae. cinereus/geminus-hyttyslajille, korkeat teeri-, metso- ja pyytiheydet, korkea sekametsien osuus sekä järvien korkea lukumäärä kunnissa olivat yhteydessä korkeaan Sindbis-viruksen aiheuttamaan infektioriskiin. Tartuntariskin ennustettiin olevan suurin Itä- ja Keski-Suomessa, sekä länsirannikolla ulottuen eteläiseen Lappiin saakka 61–64°N leveysasteille asti. Arvioimme myös kahden, muun muassa puutiaisaivokuumetulehdusta levittävän Ixodes (I.) ricinus- ja I. persulcatus- puutiaislajin levinneisyyttä Suomessa hyödyntäen historiallista aineistoa ja uutta, vuoden 2021 kesällä keräämäämme puutiaisaineistoa, josta myös seuloimme TBEV- ja Borrelia burgdorferi sensu lato (b.s.l.)- taudinaiheuttajia. Kerätyistä puutiaisista ei löytynyt TBE- virusta, mutta n. 47 % puutiaispooleista seulottiin Borrelia b.s.l.-positiivisiksi. Alueet, joissa elinympäristöjen soveltuvuus I. ricinus -lajille arvioitiin olevan suuri, sijaitsivat Etelä- ja Keski- Suomessa ulottuen Keski-Pohjanmaan maakuntaan saakka (64°N) lukuun ottamatta muutamaa kapeaa kaistaletta Pohjanmaalla ja Pirkanmaalla. Ennusteiden mukaan korkea ilmalämpötila, korkea suhteellinen ilmankosteus ja sademäärän summa, korkea kasvillisuuden runsautta kuvaava keski-infrapunasäteily sekä korkeat valkohäntäpeura-, rusakko- ja kettutiheydet sijainneissa osoittivat korkeaa soveltuvuutta I. ricinus- lajille. Ixodes persulcatukselle sen sijaan alueet Pohjanmaalta rannikkoa pitkin Etelä-Lappiin saakka (66°N), Kainuun, Pohjois-Savon ja Pohjois-Karjalan maakunnat, sekä kapeammat kaistaleet Pirkanmaalla ja Päijät-Hämeessä arveltiin soveltuvan lajille elinympäristöiltään. Korkeampi sademäärä I. persulcatuksen aktiivisena aikana, sekä korkeammat valkohäntäpeura-, metsäkauris- ja metsäjänistiheydet viittasivat lajin korkeampaan esiintymistodennäköisyyteen. Tämän työn tulokset kehittävät tietoa vektorivälitteisten tartuntatautien ehkäisyä varten, jossa paikkatieto- ja lajilevinneisyysmallinnusmenetelmiä hyödyntäen tunnistetaan riskialueita ja määritetään riskiin vaikuttavien ympäristötekijöiden suhdetta riskin lisääntymiseen, jotta lieventämisstrategioihin käytettyjä rajoitettuja resursseja voidaan optimoida ja näin parantaa kansanterveydellisiä tuloksia. Tuotettu aineisto on tärkeä, jotta ymmärrämme nykyhetken ja tulevaisuuden terveyteemme kohdistuneet uhat. Se auttaa kansanterveysviranomaisia ja asiantuntijoita päätöksenteossa kohdistamaan toimintoja ja valvontatoimenpiteitä oikein ja tehokkaasti. Työn tuloksia voidaan myös soveltaa muihin ympäristöolosuhteiltaan tutkimusalueita vastaaviin maailman alueisiin. Työn ohessa luotiin myös puitteet tietokannalle, jossa monitieteinen ja eri hallinnon aloilta peräisin oleva aineisto yhdistettiin samaan spatiaaliseen tietopohjaan. Työssä tuotettu tieto auttaa meitä tutkijoita priorisoimaan tutkimusaiheita ja kohdistamaan rahoitusta oikeisiin tavoitteisiin ja toimiin tulevissa tutkimuksissa. Meneillään olevan vuosikymmenen ja tulevien vuosikymmenten aikana tarvitsemme lisää tutkimusta ja konkreettisia tekoja, jotta voimme taistella uusia vektorilajeja ja voimakkaasti lisääntyviä vektorivälitteisiä infektiotauteja vastaan. Vektorilajien valvonta, niiden levinneisyyden tutkiminen tilassa ja ajassa sekä vektorivälitteisten tautien kartoitus nyky- ja tulevaisuuden ilmastossa ovat oleellisia toimia, jotta voimme saavuttaa syvempiä oivalluksia nykyhetken ja tulevaisuuden globaaleista uhkakuvista, joista meillä on yhteinen vastuu.

Additional file 6: Figure S5. Partial dependency plots for (a) I. ricinus and (b) I. persulcatus solely based on environmental data.

Additional file 4: Figure S4. The relative contributions of the explanatory variables in the data set of (a) host only, (b) environment only based on the mean ensemble model.

Additional file 7: Figure S6. Partial dependency plots for (a) I. ricinus and (b) I. persulcatus solely based on host data.

Additional file 5: Table S1. The number of times each model contributed to the final ensemble in different data sets.

Additional file 3: Figure S3. The range (lines) and mean (dots) of model performances over 50 model runs in each model algorithm estimating habitat suitabilities for I. persulcatus in different variable compositions: (a) environmental only, (b) host only, (c) environmental and host, and (d) environmental, host, and suitability for I. ricinus.

Additional file 8: Figure S7. Partial dependency plots for (a) I. ricinus and (b) I. persulcatus based on combined host and environmental data, and habitat suitability data for the other tick species.

Additional file 2: Figure S2. The range (lines) and mean (dots) of model performances over 50 model runs in each model algorithm estimating habitat suitabilities for I. ricinus in different variable compositions: (a) environmental only, (b) host only, (c) environmental and host, and (d) environmental, host, and suitability for I. ricinus.

Additional file 1: Figure S1. (a) The sampling strategy for new collections in 2021 was created based on the following criteria. Subdivisions of landscape areas (Area1–Area4), CORINE land cover 2018, a 5-km buffer around existing I. persulcatus occurrences (grey circles), and a 500-m buffer around roads were used to delimit the four sampling areas (light grey lines). For each sampling area, a random sample of 25 collection locations was created depending on the relative shares of forest and meadow categories in each area. (b) The map showing the 2021 results indicates the locations where I. ricinus was found with B. burgdorferi (s.l.)-positive locations.

Pogosta disease is a mosquito-borne infection, caused by Sindbis virus (SINV), which causes epidemics of febrile rash and arthritis in Northern Europe and South Africa. Resident grouse and migratory birds play a significant role as amplifying hosts and various mosquito species, including Aedes cinereus, Culex pipiens, Cx. torrentium and Culiseta morsitans are documented vectors. As specific treatments are not available for SINV infections, and joint symptoms may persist, the public health burden is considerable in endemic areas. To predict the environmental suitability for SINV infections in Finland, we applied a suite of geospatial and statistical modeling techniques to disease occurrence data. Using an ensemble approach, we first produced environmental suitability maps for potential SINV vectors in Finland. These suitability maps were then combined with grouse densities and environmental data to identify the influential determinants for SINV infections and to predict the risk of Pogosta disease in Finnish municipalities. Our predictions suggest that both the environmental suitability for vectors and the high risk of Pogosta disease are focused in geographically restricted areas. This provides evidence that the presence of both SINV vector species and grouse densities can predict the occurrence of the disease. The results support material for public-health officials when determining area-specific recommendations and deliver information to health care personnel to raise awareness of the disease among physicians.

Sindbis virus (SINV) is a mosquito-borne avian hosted virus that is widely distributed in Europe, Africa, Asia, and Oceania. Disease in humans is documented mainly from Northern Europe and South Africa and associated with genotype I. In 2018 under extremely warm climatic conditions, a small outbreak of 71 diagnosed SINV infections was recorded in Finland. We screened 52 mosquito pools (570 mosquitoes) and 223 human sera for SINV with real-time RT-PCR and the positive samples with virus isolation. One SINV strain was isolated from a pool (n = 13) of genusOchlerotatusmosquitoes and three strains from patient serum samples. Complete genome analysis suggested all the isolates to be divergent from one another and related to previous Finnish, Swedish, and German strains. The study provides evidence of SINV strain transfer within Europe across regions with different epidemiological characteristics. Whether these are influenced by different mosquito genera involved in the transmission remains to be studied.