[論文レビュー] SIR Simulation of COVID-19 Pandemic in Malaysia: Will the Vaccination Program be Effective?

W. K. Wong, Filbert H. Juwono+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

COVID-19 epidemiological studies被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、クアラルンプール、ペナン、サバ、サラワクなど高発症率地域を対象に、改変されたSIRモデルを用いてマレーシアの新型コロナウイルス感染症の予防接種プログラムの影響をシミュレートした。その結果、1日あたり0.138%の低速な接種率であっても、75%以上の効果を示すワクチンは、感染のピークを著しく低減し、流行曲線を平ららせることが判明した。特に、感染拡大を抑えるために社会的距離の確保によるR₀の低減と組み合わせることで、その効果が顕著になる。

ABSTRACT

Since the end of 2019, COVID-19 has significantly affected the lives of people around the world. Towards the end of 2020, several COVID-19 vaccine candidates with relatively high efficacy have been reported in the final phase of clinical trials. Vaccines have been considered as critical tools for opening up social and economic activities, thereby lessening the impact of this disease on the society. This paper presents a simulation of COVID-19 spread using modified Susceptible-Infected-Removed (SIR) model under vaccine intervention in several localities of Malaysia, i.e. those cities or states with high relatively COVID-19 cases such as Kuala Lumpur, Penang, Sabah, and Sarawak. The results show that at different vaccine efficacy levels (0.75, 0.85, and 0.95), the curves of active infection vary slightly, indicating that vaccines with efficacy above 0.75 would produce the herd immunity required to level the curves. In addition, disparity is significant between implementing or not implementing a vaccination program. Simulation results also show that lowering the reproduction number, R0 is necessary to keep the infection curve flat despite vaccination. This is due to the assumption that vaccination is mostly carried out gradually at the assumed fixed rate. The statement is based on our simulation results with two values of R0: 1.1 and 1.2, indicative of reduction of R0 by social distancing. The lower R0 shows a smaller peak amplitude about half the value simulated with R0=1.2. In conclusion, the simulation model suggests a two-pronged strategy to combat the COVID-19 pandemic in Malaysia: vaccination and compliance with standard operating procedure issued by the World Health Organization (e.g. social distancing).

研究の動機と目的

• マレーシアの全国的予防接種プログラムが、発症率の高い州における新型コロナウイルス感染の拡散をどの程度抑えるかを評価すること。
• ワクチン効果が0.75、0.85、0.95という異なる水準にある場合、局所的地域における流行動態にどのような影響を与えるかを評価すること。
• 予防接種と社会的距離の確保によるR₀低減の併用効果が、感染ピークと1日あたりの感染者数に与える影響を調査すること。
• 予防接種のロールアウトが遅いことやワクチン接種への抵抗感といった現実世界の制約下でも、予防接種がもたらす公衆衛生的利点を予測すること。
• 政策立案者による予防接種と非薬物的介入の二重戦略を評価するためのモデリングフレームワークを提供すること。

提案手法

• SIRモデルの古典的枠組みを改変し、感受性者（S）が毎日一定割合で回復者（R）に直接移行するように、予防接種率を定数として導入した。
• ワクチン効果をSからRへの移行率にスケーリング要因として組み込み、部分的免疫状態を模擬した。
• 社会的距離の確保の有無を想定し、ベースラインのR₀を2つ（1.1と1.2）に設定した。
• クアラルンプール、ペナン、サバ、サラワクというマレーシアの4地域を対象とし、それぞれの地域固有の人口規模を用いた。
• 270日間にわたって、予防接種ありとなしの両シナリオをシミュレートし、感染ピークと累積感染者数を比較した。
• 常微分方程式系に従う改変SIRダイナミクスを数値積分法で解いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワクチン効果が75%、85%、95%の各水準にある場合、マレーシアの州におけるアクティブ感染数のピークはどのように変化するか？
• RQ2 1日あたり0.138%の人口に相当する低速だが安定した予防接種の進行は、流行曲線の平ららぎにどのような影響を及えるか？
• RQ3 社会的距離の確保によるR₀の低減と予防接種が併用された場合、1日あたりの感染者数ピークはどの程度低減されるか？
• RQ4 予防接種のみで、医療体制への負担は非接種状況と比べてどの程度軽減されるか？
• RQ5 人口規模や感染伝播ダイナミクスの地域差が、予防接種プログラムの有効性にどのように影響を及えるか？

主な発見

• ワクチン効果が0.75、0.85、0.95の各水準であっても、アクティブ感染曲線の差はわずかにとどまり、75%以上の効果があれば集団免疫に到達することが示された。
• R₀ = 1.2の場合、予防接種ありのシナリオでは1日あたりの感染者ピークが約20,000人であったが、非接種状況では人口の1.7%（約540,000人）に達した。
• R₀を1.1に低下させたことで、1日あたりの感染者ピークは約6,000人にまで低下し、R₀ = 1.2の状況と比べて約半分にまで減少した。これは、社会的距離の確保が極めて重要であることを示している。
• 予防接種プログラムにより、人口の約0.1%（3,200人）の感染ピーク率が低下したが、これは低速なロールアウトでも成立した。
• 予防接種ありのシナリオでは、感受性者（S）の継続的減少により、感染者（I）の増加勾配が早期に負の値に転じた。
• モデルは、継続的な予防接種により累積免疫が時間とともに増加し、インポートリスクが継続する中でも、感染伝播が持続的に低下することを示している。