[논문 리뷰] Role of short-term dispersal on the dynamics of Zika virus

Victor Moreno, Baltazar Espinoza외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 01.

Mosquito-borne diseases and control참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 상호연결된 공동체 간의 단기적 인간 이동이 지카바이러스(Zika virus, ZV) 전파 역학에 미치는 영향을 분석하기 위해 이중패치 라그랑주 모델을 사용한다. 지역 전파 위험이 낮고 인구 규모가 균형을 이루는 조건에서 중간 수준의 이동성은 누적 최종 감염 규모와 전역 기본형 전파수치($\mathcal{R}_0$)를 감소시키는 데 기여하지만, 지역 $\mathcal{R}_0$가 매우 높을 경우는 어떠한 이점도 제공하지 않는다.

ABSTRACT

In November 2015, El Salvador reported their first case of Zika virus (Zv) leading to an explosive outbreak that in just two months had over 6000 suspected cases. Many communities along with national agencies initiated the process to implement control measures that ranged from vector control and the use of repellents to the suggestion of avoiding pregnancies for two years, the latter one, in response to the growing number of microcephaly cases in Brazil. In our study, we explore the impact of short term mobility between two idealized interconnected communities where disparities and violence contribute to the Zv epidemic. Using a Lagrangian modeling approach in a two-patch setting, it is shown via simulations that short term mobility may be beneficial in the control of a Zv outbreak when risk is relative low and patch disparities are not too extreme. However, when the reproductive number is too high, there seems to be no benefits. This paper is dedicated to the inauguration of the Centro de Modelamiento Matemático Carlos Castillo-Chávez at Universidad Francisco Gavidia in San Salvador, El Salvador.

연구 동기 및 목표

• 다른 전염 위험을 가진 두 상호연결 공동체에서 단기적 인간 이동이 지카바이러스 전파 역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 인구 규모의 불균형과 지역 전파 잠재력($\mathcal{R}_{01}$)의 격차가 ZV 전파 억제에 대한 이동성의 효과에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 수준의 전파 위험과 인구 분포 조건에서 이동성이 누적 최종 감염 규모를 줄일 수 있는지 평가하기 위해.
• 이동성이 전파의 원인이 되는 것이 아니라 질병 확산을 억제하는 메커니즘이 되는 조건을 규명하기 위해.
• 거주 시간과 이동 패턴이 전역 $\mathcal{R}_0$와 최종 유행 규모에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 개별 이동을 추적하기 위해 라그랑주 방법을 사용한 이중패치 전염병 모델을 수립한다.
• 각 공동체의 전파 위험 차이를 반영하기 위해 패치별 기본형 전파수치($\mathcal{R}_{01}$, $\mathcal{R}_{02}$)를 포함시킨다.
• 거주 시간을 고려한 이동 매트릭스 $\mathbb{P}$를 사용하여 단기 이동을 모델링하며, $p_{12}$와 $p_{21}$은 각 패치 간 이동률을 나타낸다.
• 전역 $\mathcal{R}_0$를 지역 $\mathcal{R}_0$ 값과 이동성 파rameter의 함수로 계산하여 전반적인 전파 잠재력을 평가한다.
• 낮음, 중간, 높음의 이동 수준과 $N_1 = kN_2$, $k=1$에서 $10$까지의 인구 규모 비율을 변화시켜 유행 결과를 시뮬레이션한다.
• 감염의 누적 최종 규모와 그 패치 간의 이동성 및 인구 분포에 대한 의존도를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단기적 인간 이동이 지카바이러스 유행의 누적 최종 감염 규모를 줄이는 조건은 무엇인가?
• RQ2 두 상호연결 공동체 간의 이동 수준과 인구 규모의 불균형이 전역 $\mathcal{R}_0$에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 거주 시간이 ZV 전파 억제에 대한 이동성의 효과를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 지역 전파 위험($\mathcal{R}_{01}$)이 매우 높을 경우 이동성이 ZV 억제에 어떤 이점을 제공하는가?
• RQ5 인구 규모의 불균형은 ZV 전파 억제를 위한 이동 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $\mathcal{R}_{01} = 1.5$이고 $N_1 = 10000$, $N_2 = 10000$일 때, 고도의 이동성($p_{12} = 0.99$)은 패치 1과 패치 2의 누적 최종 감염 규모를 각각 (0.6367, 0.5630)으로 감소시켰다.
• $\mathcal{R}_{01} = 1.5$일 경우, $N_1 = N_2 = 10000$이고 이동성이 90%일 때 전역 $\mathcal{R}_0$는 최소 1.1323에 도달했다.
• $N_1 \gg N_2$인 경우(예: $N_1 = 10000$, $N_2 = 1000$), 고도의 이동성에서도 전역 $\mathcal{R}_0$는 상대적으로 높았고(2.8643), 이는 이점이 제한적임을 시사한다.
• 모든 인구 규모 조합에서 전역 $\mathcal{R}_0$는 90% 이동성에서 최소가 되었으며, $N_1 \approx N_2$일수록 최소값이 감소했다.
• $\mathcal{R}_{01} = 3$일 경우, 고도의 이동성 조건에서도 패치 1의 누적 최종 감염 규모는 여전히 0.99 이상 유지되어, 제어 잠재력이 제한됨을 나타낸다.
• 전역 $\mathcal{R}_0$는 더 높은 지역 $\mathcal{R}_{01}$에 의해 지배되며, 이는 고위험 패치가 이동성과 관계없이 전반적인 전파 잠재력에 강하게 영향을 미친다는 의미이다.