[论文解读] Role of short-term dispersal on the dynamics of Zika virus

Victor Moreno, Baltazar Espinoza+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Mosquito-borne diseases and control参考文献 11被引用 6

一句话总结

本研究采用双斑块拉格朗日模型，探讨短期人类在两个相互关联社区之间的流动如何影响寨卡病毒（ZV）传播动力学。研究发现，当本地传播风险较低且人口规模均衡时，适度的流动可减少累计最终规模和全球基本再生数（$ olcal{R}_0$）；但当本地$ olcal{R}_0$极高时，流动则无任何益处。

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.

研究动机与目标

• 探究短期人类流动对两个具有不同流行病风险的相互关联社区中寨卡病毒传播动力学的影响。
• 评估人口规模差异和本地传播潜力（$\mathcal{R}_{01}$）如何影响流动在控制ZV传播方面的有效性。
• 评估在不同传播风险水平和人口分布下，流动是否能减少ZV暴发的累计最终规模。
• 确定流动作为疾病控制机制而非传播驱动因素的条件。
• 探讨居住时间与流动模式在塑造全球$\mathcal{R}_0$和最终流行规模中的作用。

提出的方法

• 采用拉格朗日方法构建双斑块流行病学模型，以追踪个体在社区间的移动。
• 引入各斑块特有的基本再生数（$\mathcal{R}_{01}$, $\mathcal{R}_{02}$）以表示每个社区中不同的传播风险。
• 使用包含居住时间的流动矩阵$\mathbb{P}$来模拟短期扩散，其中$p_{12}$和$p_{21}$分别表示斑块间的流动速率。
• 将全球$\mathcal{R}_0$计算为本地$\mathcal{R}_0$值与流动参数的函数，以评估整体传播潜力。
• 在不同流动水平（低、中、高）和人口规模比（$N_1 = kN_2$，$k=1$至$10$）下模拟流行病结果。
• 分析感染的累计最终规模及其在各斑块间流动与人口分布下的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，短期人类流动可减少寨卡病毒暴发的累计最终规模？
• RQ2 当两个相互关联社区之间的人口规模差异和流动水平变化时，全球$\mathcal{R}_0$如何变化？
• RQ3 居住时间在调节流动控制ZV传播效果方面发挥什么作用？
• RQ4 当本地传播风险（$\mathcal{R}_{01}$）极高时，流动是否对控制ZV传播有任何益处？
• RQ5 人口规模失衡如何影响流动抑制ZV传播的潜力？

主要发现

• 当$\mathcal{R}_{01} = 1.5$且$N_1 = 10000$，$N_2 = 10000$时，高流动（$p_{12} = 0.99$）使斑块1和斑块2的累计最终规模分别减少至（0.6367，0.5630）。
• 当$\mathcal{R}_{01} = 1.5$时，全球$\mathcal{R}_0$在$N_1 = N_2 = 10000$且流动达到90%时达到最小值1.1323。
• 当$N_1 \gg N_2$（例如$N_1 = 10000$，$N_2 = 1000$）时，即使流动水平很高，全球$\mathcal{R}_0$仍保持相对较高（2.8643），表明益处有限。
• 在全球$\mathcal{R}_0$的最小值出现在所有人口规模组合下的90%流动水平，且最小值随$N_1 \approx N_2$而降低。
• 当$\mathcal{R}_{01} = 3$时，即使在高流动条件下，斑块1的累计最终规模仍高于0.99，表明控制潜力有限。
• 全球$\mathcal{R}_0$主要受较高本地$\mathcal{R}_{01}$主导，意味着高风险斑块会强烈影响整体传播潜力，无论流动水平如何。