Epidemiologisk model giver indsigt i klamydiaudbrud i Japan

Matematiske modeller, der kvantificerer dynamikken i infektionssygdomme, er afgørende prædiktive værktøjer til kontrol af igangværende og fremtidige udbrud. En infektions grundlæggende reproduktionsnummer (R ₀ ) er især vigtig for sygdomsmodellering og epidemiologi, da den bestemmer global adfærd og måler en sygdoms overførbarhed inden for en fuldt modtagelig befolkning. Kort sagt, R ₀ hjælper offentlige sundhedsembedsmænd med at skelne en epidemis intensitet og sandsynligheden for dens succesfulde spredning. Hvis R ₀ > 1, der opstår et udbrud. Hvis R ₀ <1, infektionen dør typisk ud.

Nogle gange er en sygdom endemisk, hvilket betyder, at det kontinuerligt er til stede og vedligeholdes på et basisniveau på et bestemt sted. I disse tilfælde, antallet af smitsomme individer forbliver næsten statisk og i endemisk ligevægt. klamydia, en seksuelt overført sygdom hos både mænd og kvinder, der kan forårsage betydelig skade på en kvindes reproduktive system, har været endemisk i Japan siden 2012. For at matematisk estimere R ₀ for klamydias udbredelse i Japan, man skal afklare stabiliteten af ​​den tilsvarende models endemiske ligevægt.

I en artikel, der blev offentliggjort den 19. februar i SIAM Journal on Applied Mathematics , en publikation af Society for Industrial and Applied Mathematics, Toshikazu Kuniya studerer den globale adfærd af en multi-gruppe SIR-epidemimodel med aldersstruktur og bruger modellen til at estimere R ₀ for Japans klamydiaudbrud. Kuniya har modelleret infektionssygdomme, siden han var kandidatstuderende og er især nysgerrig efter deres globale adfærd. "Jeg er for nylig blevet interesseret i anvendelsen af ​​epidemiske modeller til deres epidemiologiske overvejelser, " sagde han. "Jeg tror, ​​at epidemiske modellers globale adfærd spiller en vigtig rolle i forståelsen af ​​smitsomme sygdomsdata i langtidsskalaen."

En SIR-model – som står for følsom, smitsom, og genvundet - er en simpel kompartmentmodel og en af ​​de mest grundlæggende mekanismer inden for matematisk epidemiologi. Den opdeler den samlede befolkning i et berørt område i de tre førnævnte klasser. Denne type model konvergerer til en sygdomsfri ligevægt, når R ₀ <1 og en endemisk ligevægt, når R ₀ > 1.

Mens Kuniyas model er ret lig den, der blev ansat af tidligere forskere, Kuniya omformaterer den til en multigruppemodel med aldersafhængig modtagelighed. "Jeg valgte en multi-gruppe SIR-epidemimodel med aldersstruktur, fordi det er nyttigt at håndtere dataene med heterogenitet (køn, alder, position, osv.) af hver person, " sagde han. "Aldersstrukturen gør os i stand til at overveje virkningerne af den demografiske aldersfordelings tidsvariation og aldersafhængigheden af ​​hver epidemisk parameter."

For enkelhedens skyld, Kuniya antager, at summen af ​​dødeligheden og restitutionsraten er konstant. Han svækker også nogle af den tidligere models restriktive antagelser, der forhindrede vellykket anvendelse. "Under den tidligere antagelse, sygdomsoverførselskoefficienten var uafhængig af tilstanden hos smitsomme individer, " sagde Kuniya. "I denne undersøgelse, vi har svækket denne antagelse for at kunne overveje sygdomsoverførselskoefficientens mulige afhængighed af smitsomme individers tilstand. I kraft af dette, vi kan modellere sygdomsoverførslen fra mandlige individer til kvindelige individer og omvendt." Ved at gøre det kan han bevise, at R ₀ helt bestemmer modellens globale adfærd. Det eliminerer også muligheden for en ustabil endemisk ligevægt, hvis R ₀ > 1.

Efter at have etableret sin model, Kuniya anvender det på manifestationen af ​​klamydia i 2015 i Japan, for hvilke der er et tilgængeligt heterogent datasæt arrangeret efter alder og køn. Klamydias tilsyneladende endemiske tilstand i de senere år gjorde også sygdommen til et passende mål. Kuniya undersøger fire særlige tilfælde - i form af en homogen model, en aldersuafhængig to-kønsmodel, en aldersafhængig et-kønsmodel, og en aldersafhængig to-kønsmodel - og sammenligner de estimerede resultater af R ₀ . Disse særlige tilfælde giver et R ₀ estimat mellem 1,0148 og 1,0535 for klamydia i Japan. Hans analyse afslører også, at introduktion af en aldersstruktur påvirker værdien af ​​R ₀ stærkere end anvendelse af en togruppestruktur. Dette indikerer, at almindelige differentialligningsmodeller, der mangler aldersstruktur - mens de typisk er nemmere at bruge end partielle differentialligningsmodeller med aldersstruktur - i sidste ende kan undervurdere R ₀ .

I løbet af hans undersøgelse, Kuniya antager, at alle smittede individer er dokumenteret, når i virkeligheden nogle forekomster af klamydia sandsynligvis ikke bliver rapporteret - især fordi sygdommen ofte ikke viser nogen symptomer. Denne uoverensstemmelse kan have ført til undervurderet R ₀ værdier for de fire enkeltsager. Regnskab for urapporterede sager og forbedring af estimatets samlede nøjagtighed er en opgave for den kommende undersøgelse.

I fremtiden, Kuniya håber at kunne anvende sine resultater på mere generelle modeller med mere end to grupper, hvilket kræver et mere og mere omfattende datasæt. "Jeg tror, ​​vi kan forbedre estimeringen af ​​R ₀ og andre epidemiske parametre ved at bruge et mere detaljeret datasæt opdelt efter heterogeniteten - f.eks. seksuel aktivitet - af hvert individ, " sagde han. "Vi kan anvende vores teoretiske resultater på mere generelle sager med vilkårlige antal grupper."