[论文解读] The advantage of self-protecting interventions in mitigating epidemic circulation at the community level

Romualdo Pastor‐Satorras, Claudio Castellano|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

COVID-19 epidemiological studies参考文献 37被引用 6

一句话总结

本研究表明，尽管被视为自私行为，但主要保护佩戴者的自保护干预措施（如主要保护佩戴者的口罩）在群体层面减少疫情传播方面，比主要保护他人的干预措施更有效。通过在复杂网络上使用分析模型和基于仿真的方法，作者发现，降低佩戴者易感性的干预措施比降低感染者传染性的干预措施更能有效抑制整体传播，原因在于网络传播动力学的结构特征。

ABSTRACT

Protecting interventions of many types (both pharmaceutical and non-pharmaceutical) can be deployed against the spreading of a communicable disease, as the worldwide COVID-19 pandemic has dramatically shown. Here we investigate in detail the effects at the population level of interventions that provide an asymmetric protection between the people involved in a single interaction. Masks of different filtration types, either protecting mainly the wearer or the contacts of the wearer, are a prominent example of these interventions. By means of analytical calculations and extensive simulations of simple epidemic models on networks, we show that interventions protecting more efficiently the adopter (e.g the mask wearer) are more effective than interventions protecting primarily the contacts of the adopter in reducing the prevalence of the disease and the number of concurrently infected individuals ("flattening the curve"). This observation is backed up by the study of a more realistic epidemic model on an empirical network representing the patterns of contacts in the city of Portland. Our results point out that promoting wearer-protecting face masks and other self-protecting interventions, though deemed selfish and inefficient, can actually be a better strategy to efficiently curtail pandemic spreading.

研究动机与目标

• 调查不对称保护干预措施（对佩戴者与接触者保护效力不同）在群体层面如何影响疫情动态。
• 解决一个反直觉的假设：即被视为利己的干预措施（如保护佩戴者的口罩）可能比优先保护他人的干预措施产生更好的群体层面结果。
• 评估此类干预措施在不同疫情模型（SIR 和 SIS）及网络拓扑结构（包括实证接触网络）下的影响。
• 量化基于个体保护效力（降低易感性 vs. 降低传染性）的干预措施在减轻疾病流行程度和峰值发病率方面的相对有效性。

提出的方法

• 在静态复杂网络上使用易感-感染-移除（SIR）和易感-感染-易感（SIS）模型模拟疫情传播。
• 引入一种参数化的干预机制，不对称地降低佩戴者的易感性（SELF）或感染者的传染性（OTHER），使用效率参数 αi 和 αo。
• 应用平均场（MF）分析近似方法，推导临界阈值，并预测最终疫情规模和峰值发病率。
• 在随机正则网络（K=7）和美国波特兰市的实证接触网络上进行大量数值模拟，以验证分析结果。
• 比较 SELF 和 OTHER 干预策略在最终疫情规模（R∞）、峰值发病率（Im）和爆发概率（Ps）等方面的成果。
• 使用阈值条件 λc(α) = λ 来识别亚临界和超临界区域，其中 λ 为传播率，α 为干预效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 当两种干预措施的个体层面效率相同时（αi = αo），主要保护佩戴者（SELF）的干预措施是否比主要保护接触者（OTHER）的干预措施更能有效抑制疫情传播？
• RQ2 在不同网络结构和传播率下，SELF 和 OTHER 干预策略在最终疫情规模（R∞）和峰值发病率（Im）方面有何差异？
• RQ3 网络拓扑结构和接触模式在决定自保护与他保护干预措施相对有效性方面起什么作用？
• RQ4 在现实的实证接触网络中，SELF 干预措施的优势是否依然存在，还是仅存在于理想化的网络模型中？
• RQ5 尽管 OTHER 策略在意图上显得更利他，为何 SELF 策略仍表现更优？

主要发现

• 自保护干预措施（SELF）在相同个体层面效率（αi = αo）下，比他保护干预措施（OTHER）更有效地降低最终疫情规模（R∞）。
• 在所有情况下，SELF 干预措施的峰值发病率（Im）均更低，表明其能更有效地使疫情曲线变平，相比 OTHER 策略。
• 在波特兰实证接触网络的模拟中，当采纳率和效率相近时，SELF 干预措施使最终疫情规模比 OTHER 干预措施减少多达 30%。
• 当传播率 λ 超过临界阈值 λc(α) 时，SELF 干预措施的优势最为显著，此时疫情爆发成为可能。
• 分析的平均场解证实，SELF 与 OTHER 策略在 R∞ 和 Im 方面的差异具有鲁棒性，并在不同网络度数和干预效率下持续存在。
• 本研究揭示，保护佩戴者的干预措施更有效，是因为其在人际互动的网络结构下，能更高效地减少每个感染者引发的新感染数。