[論文レビュー] Critical community size for COVID-19 -- a model based approach to provide a rationale behind the lockdown

Sarmistha Das, Pramit Ghosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

COVID-19 epidemiological studies参考文献 4被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、SEIRフレームワークを用いたモデルベースのアプローチを提案し、COVID-19の臨界コミュニティサイズ（CCS）および崩壊までの時間（TTE）を推定する。その結果、国ごとのロックダウン期間が15〜30日間であれば、感染の一時的根絶が達成されると示された。モデルは、感受性人口がCCS未満に低下すると、ウイルスが自然に消滅することを示しており、約1年後に波状に再発する可能性があるが、その規模は小さくなる。

ABSTRACT

Background: Restrictive mass quarantine or lockdown has been implemented as the most important controlling measure to fight against COVID-19. Many countries have enforced 2 - 4 weeks' lockdown and are extending the period depending on their current disease scenario. Most probably the 14-day period of estimated communicability of COVID-19 prompted such decision. But the idea that, if the susceptible population drops below certain threshold, the infection would naturally die out in small communities after a fixed time (following the outbreak), unless the disease is reintroduced from outside, was proposed by Bartlett in 1957. This threshold was termed as Critical Community Size (CCS). Methods: We propose an SEIR model that explains COVID-19 disease dynamics. Using our model, we have calculated country-specific expected time to extinction (TTE) and CCS that would essentially determine the ideal number of lockdown days required and size of quarantined population. Findings: With the given country-wise rates of death, recovery and other parameters, we have identified that, if at a place the total number of susceptible population drops below CCS, infection will cease to exist after a period of TTE days, unless it is introduced from outside. But the disease will almost die out much sooner. We have calculated the country-specific estimate of the ideal number of lockdown days. Thus, smaller lockdown phase is sufficient to contain COVID-19. On a cautionary note, our model indicates another rise in infection almost a year later but on a lesser magnitude.

研究の動機と目的

• 数学的モデリングを用いて、COVID-19パンデミック期におけるロックダウン期間の科学的根拠を提供すること。
• 異なる国における臨界コミュニティサイズ（CCS）を特定し、そこを下回るとCOVID-19の感染拡大が自然に停止することを明らかにすること。
• アウトブレイク後の隔離コミュニティにおけるウイルスの崩壊までの時間（TTE）を推定すること。
• 一時的疾患根絶を達成する国ごとの最適なロックダウン期間を特定することで、公衆衛生政策を支援すること。
• CCSを用いた安全なクラスターサイズを同定することで、二次的伝播を防ぐための標的型隔離戦略を最適化すること。

提案手法

• 閉鎖された集団におけるSARS-CoV-2の伝播ダイナミクスをシミュレートするために、感受性-保有者-感染性-回復者（SEIR）モデルを適応する。
• 実世界のデータから得た感染率、回復率、死亡率を基に、国ごとのCCSを計算する。
• 感受性人口がCCS未満に低下した後の感染の自然消滅までの期待期間として、崩壊までの時間（TTE）を推定する。
• 感染伝播の「一時的根絶期間（TEST）」という概念を導入し、伝播がほぼ完全に抑制される実用的期間（15〜30日間）を示す。
• 死亡率、回復率などの国ごとの疫学的パラメータを用いて、25か国のモデル出力をキャリブレーションする。
• モデルの近似に対するCCSおよびTTE推定の妥当性を評価するために、数値的評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隔離された集団において、SARS-CoV-2の伝播が自然に停止する臨界コミュニティサイズ（CCS）はどの程度か？
• RQ2 感受性人口がCCS未満に低下した後、異なる国でウイルスが崩壊するまでの時間（TTE）はどのくらいか？
• RQ3 各国において、伝播の「一時的根絶」を達成するために必要なロックダウン期間の最適な期間は何か？
• RQ4 ロックダウン終了後に感染の再発が予測可能か？
• RQ5 CCSを用いた隔離戦略を最適化することで、経済的混乱を最小限に抑えつつ、二次的アウトブレイクを防げるか？

主な発見

• 国ごとのロックダウン期間が15〜30日間であれば、伝播の「一時的根絶期間（TEST）」を達成できる。
• 感受性人口が国ごとの臨界コミュニティサイズ（CCS）未満に低下したコミュニティでは、ウイルスが自然に消滅すると予測され、TTEは国ごとに16〜64日間の範囲で推定された。
• 例えば、ベルギーではCCSが22と推定され、TTEは19.7日間である。インドではCCSが25.14、TTEが25.14日間である。
• 一時的根絶の後でも、モデルは初期アウトブレイクから約1年後に感染の再発が予測されるが、その規模は小さくなる。
• モデルは、外部からのウイルス再導入がロックダウン後の再発の主な要因であると示唆している。
• 露出者をCCS未満のクラスターサイズに隔離することで、持続的伝播を防げ、より大きなグループはCCS未満のクラスターに分割すべきである。