[논문 리뷰] Community interactions determine role of species in parasite spread amplification: the ecomultiplex network model

Massimo Stella, Sanja Selaković외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 16.

Evolution and Genetic Dynamics참고 문헌 48인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 생태적 상호작용 네트워크와 다층 전염병학적 계층을 융합한 새로운 프레임워크인 ecomultiplex 네트워크 모델을 소개한다. 이 모델은 다중 숙주 기생충 전파를 시뮬레이션할 수 있으며, 특히 고위 포식자인 올레츠와 같은 종이 기생충 전파를 증폭시킬 수 있음을 보여준다. 이는 전파 네트워크에서 핵심 종을 식별하기 위해 비용이 많이 드는 현장 유병률 측정 대신 위상적 접근을 제공한다.

ABSTRACT

Most of zoonoses are multi-host parasites with multiple transmission routes that are usually investigated separately despite their potential interplay. As a unifying framework for modelling parasite spread through different paths of infection, we suggest "ecomultiplex" networks, i.e. multiplex networks representing interacting animal communities with (i) spatial structure and (ii) metabolic scaling. We exploit this ecological framework for testing potential control strategies for $T. cruzii$ spread in two real-world ecosystems. Our investigation highlights two interesting results. Firstly, the ecomultiplex topology can be as efficient as more data-demanding epidemiological measures in identifying which species facilitate parasite spread. Secondly, the interplay between predator-prey and host-parasite interactions leads to a phenomenon of parasite amplification in which top predators facilitate $T. cruzii$ spread, offering theoretical interpretation of previous empirical findings. Our approach is broadly applicable and could provide novel insights in designing immunisation strategies for pathogens with multiple transmission routes in real-world ecosystems.

연구 동기 및 목표

• 다양한 전파 경로를 가진 다중 숙주 기생충을 모델링하는 데 있어 생태학적 네트워크와 전염병학적 네트워크를 통합함으로써 기존의 모델링 격차를 해소하고자 한다.
• 현장 기반의 유병률 측정에 의존하지 않고도 데이터 효율적인 대안을 개발하여 기생충 전파 네트워크에서 핵심 종을 식별하고자 한다.
• 포식자-피식자 상호작용과 숙주-기생충 역학이 실제 생태계에서 기생충 전파에 어떻게 공동으로 영향을 미치는지 조사하고자 한다.
• 네트워크 위상, 생태학적 역할, 전염병학적 데이터를 기반으로 한 다양한 백신 접종 전략의 효과를 평가하고자 한다.
• 상위 포식자가 기생충 전파를 증폭시키는 조건이 언제 발생하는지 탐색하고자 한다.

제안 방법

• 식량망 계층(포식 상호작용을 나타냄)과 벡터 전파 계층(벡터를 통한 기생충 전파를 나타냄)을 갖는 ecomultiplex 네트워크를 구축한다.
• 대사 척도 이론을 적용하여 종의 빈도를 추정하고, 이는 전파 확률에 영향을 미친다.
• 모든 종이 동일한 상호작용 반경을 갖는 공간적 구조를 도입하여 현실적인 공동체 수준의 접촉 패턴을 모델링한다.
• 평균장 Susceptible-Infected (SI) 모델을 적용하여 다층 네트워크 전반에 걸쳐 기생충 전파를 시뮬레이션한다.
• 브라질의 두 생태계(Canastra 및 Pantanal)에서의 실증 데이터를 활용하여 모델의 매개변수를 설정하고 전파 역학을 테스트한다.
• 분류학, 상호작용 패tern(예: 벡터를 먹는 것), 전염병학적 역할(예: 높은 유병률 종) 기반의 백신 접종 전략을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 예를 들어 포식과 같은 생태적 상호작용은 다중 전파 경로를 가진 다중 숙주 시스템에서 기생충 전파에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 네트워크 위상만으로도 현장 기반의 유병률 측정만큼 효과적으로 기생충 전파에서 핵심 종을 식별할 수 있는가?
• RQ3 상위 포식자가 전파 네트워크에서 조절자 대신 기생충 전파를 증폭시키는 조건은 무엇인가?
• RQ4 위상, 생태학, 전염병학 기반의 다양한 백신 접종 전략은 기생충 전파 억제에 있어 어떻게 비교되는가?
• RQ5 식량망 구조와 벡터 매개 전파 간의 상호작용은 기생충 지속성 유지에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Ecomultiplex 네트워크 모델은 현장 기반의 유병률 측정과 비교해도 정확도가 높은 기생충 촉진 종을 식별할 수 있으며, 이는 비용이 많이 드는 데이터 수집에 대한 의존도를 감소시킨다.
• 올레츠와 같은 상위 포식자는 포식을 통해 감염을 얻고, 이후 벡터에게 전파함으로써 전반적인 전파 효율을 높여 기생충 전파를 증폭시킬 수 있다.
• 기생충 전파 증폭은 식량망 계층과 벡터 전파 계층이 함께 모델링될 때만 발생하며, 이는 통합된 생태학-전염병학 프레임워크의 필요성을 강조한다.
• 특히 노출도 또는 중심성 수준이 높은 종을 대상으로 하는 ecomultiplex 네트워크 위상 기반 백신 접종 전략은 실제 기생충 유병률 기반 전략과 유사한 통제 효과를 달성한다.
• Canastra 및 Pantanal 생태계 모두에서 ecomultiplex 기반 백신 접종 전략은 전염병학적 전략과 유사하게 기생충 전파를 효과적으로 늦추었으며, 특히 기생충 농도가 높을 경우 두드러진 효과를 보였다.
• 모델은 종의 전파 위험이 네트워크 내 위치와 대사 빈도의 공통적 영향을 받으며, 이들이 직접적인 전파 속도 매개변수를 대체할 수 있음을 확인한다.