[論文レビュー] The role of vegetables trade network in global epidemics

Yong Ki Min, Jie Chang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2011

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、FAO 2008年のデータを用いて二重重み付きグローバル野菜貿易ネットワーク（VTN）を構築し、反応拡散モデルを適用して流行の拡散をシミュレートした。その結果、EHECに類似した疾患の拡散において、長距離拡散よりも貿易ノード内での局所的病原体増殖がより重要であることが明らかになった。本研究では、非対称な流行閾値、グローバルな拡散を制限するが局所的伝播を加速するモジュラー構造、および正のフィードバックループを持つ重要な「流行の幹」が特定された。この「流行の幹」は、実際の2011年EHEC流行パターンと非常に一致しており、病原体拡散の制御に向けた的確なアプローチを示している。

ABSTRACT

The outbreak of enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) in May 2011 warns the potential threats of the world vegetables trade network (VTN) in spreading fatal infectious diseases. The heterogeneous weight distribution and multi-scale activity of intermediary networks affects the diffusion, proliferation and extinction of epidemics. Here, we constructed a dual-weighted VTN with 118 major countries and territories from FAO 2008 statistic data about global vegetation production and trade, and develop a reaction-diffusion model to simulate the epidemic behaviors in through VTN. We found an emerged asymmetric threshold of epidemic on VTN, in which local proliferation within nodes plays a more critical role than global diffusion in spreading of EHEC-like diseases, i.e. sufficient local proliferation is the precondition for global diffusion. We also found that a strong modularity on VTN structure, which restricts the spreading of EHEC-like diseases; however, within the communities, the diffusion is quick and easy. There is, moreover, a critical "epidemic stem", in which a serial of positive feedback loop for amplifying the proliferation and diffusion pathogens has been identified from entire VTN. Surprisingly, statistical analysis shows a well consistency between theoretical composition of stem and actual pattern of EHEC. The results provide a chance to design gradient control strategies for controlling disease global diffusion. Our analysis provided the first inspect of global epidemics mediated by trade networks for improved control and immunity strategies in the future.

研究の動機と目的

• EHECのような感染性疾患の拡散を促進するグローバル野菜貿易ネットワークの役割を評価すること。
• 貿易量と生産能力を組み込んだ二重重み付き貿易ネットワークを用いて、流行動態をモデル化すること。
• 流行閾値、拡散、消滅に影響を与えるVTNの構造的および動的特徴を特定すること。
• フィードバック機構を通じて病原体拡散を増幅させるネットワークモチーフ（特に「流行の幹」）を同定すること。
• 貿易ネットワークを通じたグローバルな疾病拡散を緩和するための勾配に基づく制御戦略を提言すること。

提案手法

• FAO 2008年の野菜生産および貿易に関するデータを用いて、118か国のグローバル野菜貿易ネットワーク（VTN）を二重重み付きで構築した。
• 反応拡散モデルを適用して、VTN上での流行伝播をシミュレートし、局所的増殖とグローバルな拡散の両方を組み込んだ。
• ネットワークのトポロジーを解析し、モジュラリティ、次数分布、コミュニティ構造を評価することで、流行行動に与える影響を検証した。
• 病原体拡散を増幅させる正のフィードバックループを形成する連結ノードの系列として、重要な「流行の幹」を同定した。
• 理論的「流行の幹」と実際の2011年EHEC流行パターンとの間で統計的比較を行い、モデル予測の妥当性を検証した。
• 非対称な流行閾値を評価した。この閾値では、グローバルな拡散の前提として、ノード内での局所的伝播能力が不可欠である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバル野菜貿易ネットワークの構造は、流行拡散の閾値とダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 EHECに類似した疾患の拡散において、貿易ノード内での局所的病原体増殖が、長距離拡散を上回る程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 モジュラリティやコミュニティ構造といったネットワーク特徴は、流行拡散を制限するか、加速するか？
• RQ4 特定のネットワークモチーフ、「流行の幹」が、フィードバックループを通じて病原体拡散を増幅させるか？
• RQ5 理論的「流行の幹」の構成は、現実の2011年EHEC流行パターンとどの程度一致するか？

主な発見

• 非対称な流行閾値が存在し、グローバルな拡散の前提としてノード内での十分な局所的増殖が必要である。このため、長距離貿易よりも局所的伝播がより重要である。
• VTNは強いモジュラリティを示しており、グローバルな流行拡散を制限する一方で、コミュニティ内での迅速な局所的拡散を可能にする。
• 正のフィードバックループを形成する連結ノードの系列として、病原体増殖と拡散を増幅する重要な「流行の幹」が同定された。
• 統計的分析により、「流行の幹」の理論的構成と2011年EHEC流行の実際の拡散パターンとの間に高い整合性が確認された。
• 反応拡散モデルは、主要な流行ダイナミクスをうまく再現した。これにより、病原体拡散の緩和に向けたネットワークベースの勾配制御戦略の有効性が裏付けられた。
• 本研究は、農業貿易ネットワークを介したグローバルな流行の包括的分析を初めて提供し、今後の制御および免疫計画のためのフレームワークを提示した。