[论文解读] Multi-strain SIS dynamics with coinfection under host population structure

Sten Madec, Nicola Cinardi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2026

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一句话总结

论文提出一个结构宿主、多株SIS模型，考虑共感染并推导全局复制者方程以描述宿主异质性下的株流共存与选择。

ABSTRACT

Coinfection phenomena are common in nature, yet there is a lack of analytical approaches for coinfection systems with a high number of circulating and interacting strains. In this paper, we investigated a coinfection SIS framework applied to N strains, co-circulating in a structured host population. Adopting a general formulation for fixed host classes, defined by arbitrary epidemiological traits such as class-specific transmission rates, susceptibilities, clearance rates, etc., our model can be easily applied in different frameworks: for example, when different host species share the same pathogen, in classes of vaccinated or non-vaccinated hosts, or even in classes of hosts defined by the number of contacts. Using the strain similarity assumption, we identify the fast and slow variables of the epidemiological dynamics on the host population, linking neutral and non-neutral strain dynamics, and deriving a global replicator equation. This global replicator equation allows to explicitly predict coexistence dynamics from mutual invasibility coefficients among strains. The derived global pairwise invasion fitness matrix contains explicit traces of the underlying host population structure, and of its entanglement with the strain interaction and trait landscape. Our work thus enables a more comprehensive study and efficient simulation of multi-strain dynamics in endemic ecosystems, paving the way to deeper understanding of global persistence and selection forces, jointly shaped by pathogen and host diversity.

研究动机与目标

• 引入固定宿主类的多株SIS框架，包含共感染
• 在跨宿主类与性状的任意结构下建模
• 在株相似性下进行慢-快降维，以获得全局复制者方程
• 通过结构化的下一代矩阵描述来界定入侵适合度与共存
• 将该框架应用于疫苗接种与类网络的宿主结构，以研究株的选择

提出的方法

• 给出具有宿主类与N株的通用SIS共感染模型（I_k^i 与 D_k^{i,j 区室）
• 将 Theta_k 定义为类 k 的总感染概率，并推导下一代矩阵，R0=ρ(diag(R)Q)
• 利用株相似性识别快变量与慢变量，并导出株频率的全局复制者方程
• 定义中性与准中性以将株动力学联系到带入侵适应度矩阵的复制者系统
• 对特殊情形给出显式结果（两宿主、接种结构、平均场网络），并证明中性/准中性降维
• 证明疾病自由与流行平衡的全局稳定性结果，并在 R0>1 时推导 S_k^*、I_k^*、D_k^* 的表达式

实验结果

研究问题

• RQ1 宿主群体结构如何影响多株共感染动力学？
• RQ2 在结构化宿主下，是否可用全局复制者方程捕捉株的共存与竞争结果？
• RQ3 接种或接触结构异质性如何改变入侵适合度与株的选择？
• RQ4 在结构化的N株SIS-共感染模型中，疾病自由与流行平衡的条件是什么？
• RQ5 中性与准中性动力学如何与宿主-株相互作用的整体关系相关？

主要发现

• 在准中性的条件下，结构化的N株SIS-共感染模型可化为株频率的复制者方程
• 当 R0≤1 时，疾病自由平衡全局稳定；当 R0>1 时，唯一的流行平衡全局稳定
• 流行于各宿主类中的流行水平被固定点 Theta^* 所决定的类结构方程界定并有界
• 宿主类异质性降低了总体的流行水平，相较于同样 R0 的均质系统
• 在特殊情形下可给出 S_k^*, T_k^*, I_k^*, D_k^* 相对于 Theta^* 的显式表达式
• 该框架可应用于两宿主系统、疫苗接种引起的结构以及异质接触网络的株选择