Investigation of selected determinants of Culicoides vectorial capacity of African horse sickness at Onderstepoort, South Africa

Abstract

Culicoides biting midges (Diptera: Ceratopogonidae) are vectors of a variety of pathogens including African horse sickness virus (AHSV), a member of the Orbivirus genus in the Reoviridae family. AHSV causes African horse sickness (AHS), a disease of equids endemic in sub-Saharan Africa with an extremely high mortality rate. Culicoides (Avaritia) imicola Kieffer is considered to be the principal vector for AHSV and is the dominant Culicoides species in South Africa. Due to the global distribution of the vector species, the disease is at risk of spreading outside its traditional boundaries, which could have a severe economical impact on the equine industry. As part of the risk assessment it is essential to monitor known vectors as well as potential vector species. The present study compared two trapping methods for Culicoides midges. The conventional Onderstepoort light trap that was operated overnight was compared to mechanical aspiration from bait horses at sunset. Culicoides imicola was confirmed as the predominant species by both trapping methods. Other species, mainly Culicoides (Avaritia) bolitinos Meiswinkel and Culicoides (Avaritia) gulbenkiani Caeiro, were highly underrepresented in the light trap collections, but made a significant contribution to the mechanical aspiration catches. The time for optimal collection also differed between both trapping devices, leading to the conclusion that mechanical aspiration is a useful addition to conventional light trap collection and possibly the better choice when investigating insect vectors. Real-time quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (RT-qPCR) of collected Culicoides midges showed an infection rate of 1.14%, exceeding previous estimates. Virus was present in midge pools collected from the light trap as well as the mechanical aspiration. Seven of the positive pools consisted only of C. imicola, four contained mixed species and one pool contained no C. imicola, suggesting the presence of another vector species. In a separate part of the study, field-collected C. imicola were fed with AHSV-positive blood. Individual midges were dissected and real-time RT-qPCR conducted on heads/thoraxes and abdomens immediately after feeding and after 10 days of incubation. While the majority of Culicoides were AHSV-positive directly after feeding (95.7%), virus was still present in 51% of the midges after 10 days of incubation.Significantly more midges were AHSV-positive in the abdomen compared to heads/thoraxes, indicating that C. imicola – like other Culicoides species – express a so-called mesenteronal escape barrier (MEB), i.e. virus replicates, but is unable to disseminate from the midgut of the midge. The mean amount of virus in the midges increased after 10 days of incubation, most likely due to viral replication in the abdomen. Replication in the salivary glands could not be shown. The RT-qPCR assay proved useful for investigation of midge pools as well as individual Culicoides midges.

Culicoides Stechmücken (Diptera: Ceratopogonidae) sind Vektoren für eine Vielzahl von Pathogenen, unter anderem für das Virus der Afrikanischen Pferdepest (AHSV), das zum Orbivirus Genus aus der Familie der Reoviridae zählt. Dieses Virus verursacht Afrikanische Pferdepest, eine Erkrankung von Equiden, die in der Subsahara endemisch vorkommt und eine ausgesprochen hohe Mortalität aufweist. Culicoides (Avaritia) imicola Kieffer wird als Hauptvektor für AHSV betrachtet und ist die dominierende Culicoides-Spezies in Südafrika. Aufgrund der globalen Verteilung von Stechmücken besteht die Gefahr, dass sich die Krankheit auch ausserhalb ihrer bekannten Grenzen ausbreitet, was enorme ökonomische Auswirkungen auf die Pferdeindustrie hätte. Als Teil der Gefahrenanalyse ist es essentiell, dokumentierte und bislang undokumentierte, potentiell neue Vektoren zu erforschen. Die vorliegende Studie hat zwei Fangmethoden für Culicoides Stechmücken verglichen: die konventionelle sogenannte “Onderstepoort-Lichtfalle”, die über Nacht betrieben wird, und die mechanische Aspiration von Culicoides direkt von Pferden bei Sonnenuntergang. Culicoides imicola stellte die überwiegende Spezies in beiden Fangmethoden dar. Andere Spezies, hauptsächlich Culicoides (Avaritia) bolitinos Meiswinkel und Culicoides (Avaritia) gulbenkiani Caeiro, waren in der Lichtfalle deutlich unterrepräsentiert; stellten aber einen wesentlichen Anteil in der mechanischen Aspiration dar. Optimale Ergebnisse wurden je nach Fangmethode zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Die mechanische Aspiration stellt eine nützliche Erweiterung zu der Lichtfalle dar und ist womöglich sogar die bessere Wahl für die Erforschung von Vektoren. Quantitative Real- time Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RTqPCR) der gesammelten Culicoides Stechmücken ergab eine Infektionsrate von 1.14%. Virus war nicht nur in Pools von Stechmücken aus der Lichtfalle, sondern auch aus den Pools nach mechanischer Aspiration präsent. Sieben der AHSV-positiven Pools beinhalteten nur C. imicola, vier Pools bestanden aus verschiedenen Spezies und ein Pool schloss C. imicola aus, was das Vorkommen einer weiteren Vektorspezies vermuten lässt. In einem separaten Teil der Studie wurden C. imicola Stechmücken, die im Freien gefangen wurden, mit AHSV-positivem Blut gefüttert. Einzelne Individuen wurden in Kopf und Abdomen seziert und Real- time RT-qPCR dieser Teile direkt nach der Blutmahlzeit und nach 10-tägiger Inkubation durchgeführt. Während der weit überwiegende Anteil der Culicoides direkt nach dem Blutmahl AHSV-positiv waren (95.7%), konnte das Virus nach 10-tägiger Inkubation nur noch in 51% der Mücken dargestellt werden. Interessanterweise war eine signifikant höhere Anzahl von Mücken im Abdomen aber nicht im Kopfteil positiv für AHSV. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass C. imicola – genau wie andere Culicoides Arten – über ein sogenanntes “Mesenteronales Escape Barrier” verfügt, d.h. Virusreplikation findet statt, aber die Viruspartikel können den Mitteldarm nicht verlassen. Die durchschnittliche Virusmenge pro Stechmücke erhöhte sich während der 10-tägigen Inkubation, vermutlich aufgrund von Virusreplikation im Abdomen. Replikation in den Speicheldrüsen konnte nicht dargestellt werden. Der entwickelte RT-qPCR-Assay hat sich als sehr praktische Methode zur Untersuchung von sowohl von Culicoides-Pools als auch von einzelnen Mücken erwiesen.