[論文レビュー] A model for COVID-19 and bacterial pneumonia coinfection with community- and hospital-acquired infections

Ángel Pérez, David A. Oluyori|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2022

COVID-19 epidemiological studies被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、COVID-19と細菌性肺炎の混合感染動態を分析するための新しい数学的モデルを提案する。このモデルは、コミュニティ獲得型と病院獲得型の細菌感染を区別する。モデルは、COVID-19の基本再生産数が1を超える限り、細菌性肺炎および細菌集団の基本再生産数が1未塔であっても、両疾患が集団内で共存可能であることを示しており、混合感染の持続を抑えるためにCOVID-19の伝播を制御する必要性が極めて重要であることを強調している。

ABSTRACT

We propose a new mathematical model to study the coinfection dynamics of COVID-19 and bacterial pneumonia. Our model includes two infection ways for pneumonia, corresponding to community-acquired and hospital-acquired infections. We show that the existence and local stability of equilibria depend on three different parameters, which are interpreted as the basic reproduction numbers of COVID-19, bacterial pneumonia, and bacterial population. Numerical simulations are performed to complement our theoretical analysis, and we show that both diseases can persist if the basic reproduction number of COVID-19 is greater than one.

研究の動機と目的

• COVID-19と細菌性肺炎の混合感染動態を記述する数学的モデルの不足に対処すること。
• SARS-CoV-2感染の文脈において、コミュニティ獲得型と病院獲得型の細菌性肺炎の伝播経路を区別すること。
• 集団内で両疾患が共存または根絶される条件を分析すること。
• 疾患の持続または消滅を決定づける主要な伝播パラメータを同定すること。
• COVID-19の基本再生産数を低減することが混合感染制御に不可欠であることを強調することで、公衆衛生政策に貢献すること。

提案手法

• モデルは、COVID-19伝播用と細菌性肺炎伝播用の2つのサブモデルを統合し、コミュニティおよび病院獲得型感染の別々の伝播経路を含む。
• 常微分方程式系は、両疾患の感受性者・感染者・回復者の状態と、細菌集団の動態を含む状態変数を含む。
• COVID-19、細菌性肺炎、細菌集団それぞれの基本再生産数（R_C、R_P、R_B）を導出することで、伝播可能性を評価する。
• 5つの無病・エンドミックな均衡点の存在と局所安定性を評価するための均衡解析を実施する。
• 臨床的および疫学的データから得られたパラメータセットを用いて、異なる伝播条件下での長期的ダイナミクスを探索するための数値シミュレーションを実施する。
• Pythonを用いた数値シミュレーションにより理論的結果の妥当性を検証し、共存シナリオを可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細菌性肺炎および細菌集団の伝播可能性が低いにもかかわらず、COVID-19と細菌性肺炎が集団内で共存できる条件は何か？
• RQ2 コミュニティ獲得型および病院獲得型の細菌性肺炎の伝播経路は、SARS-CoV-2との混合感染の全体的ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 COVID-19の基本再生産数は、細菌性肺炎および細菌集団の持続に果たす役割は何か？
• RQ4 R_P < 1およびR_B < 1であっても、COVID-19、肺炎、細菌集団の3要素がすべて持続する安定なエンドミック均衡が実現可能か？
• RQ5 本モデルの均衡構造は、混合感染制御を目的とした公衆衛生介入にどのようなインプリケーションをもたらすか？

主な発見

• モデルは5つの均衡点を同定し、R_C < 1のときには無病均衡点（E0）およびCOVID-19単独の均衡点（E1）が安定であることが示された。
• R_C > 1のとき、数値的に観察され、局所安定であると仮定される6番目の均衡点（E5）が、COVID-19、肺炎、細菌集団の共存を表す。
• 数値シミュレーションにより、R_P < 1およびR_B < 1であっても、R_C > 1であれば両疾患が集団内で持続可能であることが確認された。
• ケース4では、R_C > 1、R_P > 1、R_B > 1の条件下で、システムは安定なエンドミック均衡に収束し、感受性者数は約5.73 × 10^7、COVID-19感染例は6,007例、肺炎例は3,867例、細菌集団は1.05 × 10^7に達した。
• シミュレーション結果は、R_PおよびR_Bを1未塔に下げても、R_Cが1を超えたままでは肺炎や細菌集団の根絶が保証されないことを示している。
• 結果から、持続的な細菌伝播が存在する中でも、COVID-19の基本再生産数の制御が、混合感染の負担を低減する主要な要因であると示唆された。