[논문 리뷰] Population-scale testing can suppress the spread of infectious disease

Jussi Taipale, Ioannis Kontoyiannis외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Data-Driven Disease Surveillance참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전염병 확산을 빠르고 강력하게 억제하기 위해 대규모 인구에서 반복적이고 동시에 시행되는 검사와 감염자 격리의 조합을 제안한다. 분석적 결과와 시뮬레이션을 통해 충분히 높은 검사 빈도에서 유효 복제 수(Rt)를 1.0 이하로 낮출 수 있음을 입증한다. 이는 백신이나 의약품 없이도 유행 붕괴를 초래할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

Major advances in public health have resulted from disease prevention. However, prevention of a new infectious disease by vaccination or pharmaceuticals is made difficult by the slow process of vaccine and drug development. We propose an additional intervention that allows rapid control of emerging infectious diseases, and can also be used to eradicate diseases that rely almost exclusively on human-to-human transmission. The intervention is based on (1) testing every individual for the disease, (2) repeatedly, and (3) isolation of infected individuals. We show here that at a sufficient rate of testing, the reproduction number is reduced below 1.0 and the epidemic will rapidly collapse. The approach does not rely on strong or unrealistic assumptions about test accuracy, isolation compliance, population structure or epidemiological parameters, and its success can be monitored in real time by following the test positivity rate. In addition to the compliance rate and false negatives, the required rate of testing depends on the design of the testing regime, with concurrent testing outperforming random sampling. Provided that results are obtained rapidly, the test frequency required to suppress an epidemic is monotonic and near-linear with respect to R0, the infectious period, and the fraction of susceptible individuals. The testing regime is effective against both early phase and established epidemics, and additive to other interventions (e.g. contact tracing and social distancing). It is also robust to failure: any rate of testing reduces the number of infections, improving both public health and economic conditions. These conclusions are based on rigorous analysis and simulations of appropriate epidemiological models. A mass-produced, disposable test that could be used at home would be ideal, due to the optimal performance of concurrent tests that return immediate results.

연구 동기 및 목표

• 백신 또는 약물 개발에 거의 의존하지 않으면서도 확산 중인 전염병을 제어할 수 있는 확장 가능한 비약물적 개입 전략을 개발하기 위해.
• 기존의 공중보건 조치(예: 접촉자 추적 및 사회적 거리두기)의 한계, 특히 유행 초반 단계에서의 한계를 해결하기 위해.
• 검사 정확도와 준수율이 현실적인 조건이더라도 대규모 인구 검사가 전파를 억제할 수 있음을 입증하기 위해.
• 유행 통제를 달성하기 위해 필요한 검사 빈도를 결정하는 수학적으로 엄밀한 프레임워크를 제공하기 위해.
• 검사가 초기 유행 단계뿐 아니라 확산된 유행 단계에서도 효과적이며, 다른 개입 조치와의 병행 효과를 보임을 보여주기 위해.

제안 방법

• 모든 인구에 대해 반복적이고 동시에 시행되는 검사 전략을 대규모 인구에 적용하는 방식을 제안한다.
• 스토케스틱 및 결정론적 전염병학적 프레임워크를 사용하여 개입 전략을 모델링하며, SIR 유형의 분할 모델을 포함한다.
• 유효 복제 수(Rt)를 검사 빈도, 감염 기간, 인구의 감수성에 따라 분석한다.
• 실시간 모니터링 지표로 '검사 양성률'을 도입하여 유행 추세를 대체 지표로 사용한다.
• 검사 제도를 비교 분석: 결과가 즉시 제공될 경우, 동시에 시행하는 검사(모두 한 번에 검사)가 무작위 표본 추출에 비해 Rt 감소에 더 효과적이다.
• 수학적 분석과 에이전트 기반 시뮬레이션을 통해 다양한 매개변수(예: 가짜 음성, 준수율) 조건 하에서 접근의 강건성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적이고 대규모 인구 검사를 통해 유효 복제 수(Rt)를 1.0 이하로 낮출 수 있는가? 이는 유행 억제로 이어지는가?
• RQ2 R0, 감염 기간, 감수성 인구 비율과 같은 주요 전염병학적 매개변수에 비례해 필요한 검사 빈도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 검사 결과가 즉각 제공될 경우, 동시에 시행하는 검사와 무작위 표본 추출의 유행 통제 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 검사 정확도(가짜 음성)와 격리 준수 불량에 대해 이 개입 전략은 어느 정도 강건한가?
• RQ5 검사 양성률을 사용해 검사 전략의 성공 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있는가?

주요 결과

• 충분히 높은 빈도로 반복적이고 동시에 시행되는 검사를 통해 유효 복제 수(Rt)를 1.0 이하로 낮출 수 있으며, 이는 빠른 유행 붕괴로 이어진다.
• 필요한 검사 빈도는 R0, 감염 기간의 길이, 감수성 인구 비율에 거의 선형적으로 비례한다.
• 결과가 즉시 제공될 경우, 동시에 시행하는 검사는 Rt 감소에 있어 무작위 표본 추출에 비해 뚜렷이 뛰어나다.
• 검사 양성률은 유행 추세를 신뢰할 수 있고 실시간으로 파악할 수 있는 지표로서, 개입 효과를 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
• 부적절한 검사 빈도라도 감염자 수를 줄이며, 공중보건 및 경제적 결과를 모두 개선한다.
• 실제 수준의 가짜 음성과 준수 불량에 대해 강건하며, 다양한 전염병학적 및 구조적 조건에서도 효과를 유지한다.