[論文レビュー] Community interactions determine role of species in parasite spread amplification: the ecomultiplex network model

Massimo Stella, Sanja Selaković+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 48被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、生態的相互作用ネットワークとマルチプレックス疫学的レイヤーを統合した新しいフレームワーク、エコマルチプレックスネットワークモデルを紹介する。このモデルは、複数の宿主を介した寄生虫の拡散をシミュレートするものであり、捕食者-被捕食者ダイナミクスが寄生虫の伝播を拡大すること、特にオセロットのような上位捕食者がその役割を果たすことを示している。これは、実地での有病率測定に代わる、トポロジーに基づく代替手法として、伝播ネットワーク内での主要種の特定に有効である。

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.

研究の動機と目的

• 複数の伝播経路を有する多宿主寄生虫をモデル化する際のギャップを埋めるために、生態的ネットワークと疫学的ネットワークを統合する。
• 実地調査による有病率測定に代わる、データ効率の良い代替手法を開発し、寄生虫伝播ネットワーク内での主要種の特定を可能にする。
• 捕食者-被捕食者相互作用と宿主-寄生虫ダイナミクスが、現実の生態系における寄生虫拡散にどのように影響を与えるかを調査する。
• ネットワークのトポロジー、生態的役割、疫学的データに基づいて、さまざまなワクチン接種戦略の有効性を評価する。
• 上位捕食者が寄生虫伝播を拡大するのではなく抑制する場合の条件を明らかにする。

提案手法

• 捕食相互作用を表す食物連鎖レイヤーと、媒介者を介した寄生虫伝播を表すベクター媒介伝播レイヤーの2層からなるエコマルチプレックスネットワークを構築する。
• 代謝スケーリング理論を用いて、伝播確率に影響を与える種の頻度を推定する。
• 全種に同一の相互作用半径を適用することで、現実的なコミュニティレベルの接触パターンをモデル化する空間的構造を導入する。
• 平均場近似の感受性-感染者（SI）モデルを用いて、マルチプレックスネットワーク全体における寄生虫伝播をシミュレートする。
• ブラジルの2つの生態系（カナストラおよびパナタント）からの実地データを用いてモデルのパrameter化を行い、伝播ダイナミクスの検証を実施する。
• 分類学的分類、相互作用パターン（例：媒介者を捕食すること）、疫学的役割（例：有病率の高い種）に基づいて、ワクチン接種戦略を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕食など生態的相互作用は、複数の伝播経路を有する多宿主系における寄生虫拡散にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ネットワークのトポロジーのみで、実地調査による有病率測定と同等の精度で、寄生虫伝播における主要種を特定できるか？
• RQ3 上位捕食者が伝播ネットワーク内で抑制者ではなく拡大要因として機能する条件は何か？
• RQ4 トポロジー、生態的役割、疫学的データに基づく異なるワクチン接種戦略は、寄生虫拡散の制御においてどのように比較されるか？
• RQ5 食物連鎖構造と媒介伝播の相互作用は、寄生虫の持続的存続にどのような役割を果たすか？

主な発見

• エコマルチプレックスネットワークモデルは、実地調査による有病率測定と同等の精度で、寄生虫の拡散を促進する主要種を同定でき、高コストなデータ収集に依存する必要を軽減する。
• オセロットのような上位捕食者は、捕食によって感染を獲得し、その後媒介者に伝播させることで、寄生虫伝播の効率を高める「拡大要因」として機能する可能性がある。
• 寄生虫の拡大は、食物連鎖レイヤーとベクター媒介伝播レイヤーの両方が同時にモデル化された場合にのみ発生する。これは、統合的生態学的・疫学的フレームワークの必要性を強調する。
• 実際の寄生虫有病率に基づく戦略と同等の効果を示すが、エコマルチプレックスのトポロジーに基づくワクチン接種戦略（特に、露出度や中心性が高めの種を標的とすること）は、高い制御効果を発揮する。
• カナストラおよびパナタントの両生態系において、エコマルチプレックスに基づくワクチン接種戦略は、疫学的戦略と同等に寄生虫の拡散を遅らせることが確認された。特に寄生虫の豊富さが高い状況では顕著であった。
• モデルは、種の伝播リスクがネットワーク上の位置と代謝的頻度の両方によって規定されることを確認した。これらは、明示的な伝播レートパrameterを代替する要因として機能する。