Změny v komunitních sítích ovlivňují šíření nemocí

The COVID-19 Pandemie zdůraznila důležitost přesného porozumění šíření nemocí v dopravních sítích. Vzhledem ke složitosti těchto systémů je však výzvou důsledně určit vztah mezi rizikem onemocnění a měnícími se sítěmi, které mohou změnit člověka nebo životní prostředí. V papírové verzi dnes (čtvrtek 10. června 2021) v SIAM Journal for Applied Mathematics, Stephen Kirkland (University of Manitoba), Zhisheng Shuai (University of Central Florida), P. van den Driessche (University of Victoria) a Xueying Wang (Washington State University) zkoumají způsob, jakým změny v síti několika společně propojených komunit změna bude mít dopad na následné šíření nemoci. Čtyři vědci byli hostováni jako Výzkumný soubor strukturovaného kvarteta Americkým matematickým institutem.

Běžný matematický model používá více propojených oprav k reprezentaci samostatných geografických oblastí propojených přepravními sítěmi. Nemoci se často přenášejí prostřednictvím těchto sítí prostřednictvím hmyzu, jako jsou komáři a klíšťata, kteří mohou stopovat lidi nebo zboží. Patogenní mikroorganismy, jako jsou bakterie a prvoky, mohou také šířit nemoci prostřednictvím říčních sítí. „Tento přenos nemocí by se mohl zvýšit kvůli povodním, které by potenciálně mohly vytvořit novou zkratku,“ řekl Shuai. „Jak by se dynamika nemoci změnila v reakci na tuto změnu v síti?“

Hvězdná síť

Několik možných konfigurací hvězdné sítě, přičemž 1 je rozbočovač ve středu. Tento typ sítě může představovat cestování mezi městem a předměstími. Fotografický kredit: Obrázek s laskavým svolením Stephen Kirkland, Zhisheng Shuai, P. van den Driessche a Xueying Wang

Abychom odpověděli na tuto otázku, vědci se pokusili změřit základní reprodukční číslo R.0 celé sítě. R.0 určitě nemoc Nepřístupnost – pokud je větší než 1, počet infekcí se s největší pravděpodobností zvýší; pokud je menší než 1, nemoc nakonec vymře. “Pokud je šíření mezi skvrnami rychlejší než dynamika nemoci nebo populace, ukázalo se, že počet síťových reprodukcí.” R.0 lze aproximovat jako vážený průměr jednotlivých reprodukčních čísel patchů, “řekl Wang.

Například pokud patogeny v řece infikují lidi cholerou a voda se pohybuje rychleji, než se patogeny rozpadnou, můžete zhruba R.0 pro celou říční síť jako kombinace základních reprodukčních čísel pro každou jednotlivou obec podél řeky. To je důležité kvůli hodnotě R.0 mohou vést strategie kontroly nemoci – i když informace, které poskytuje, jsou omezené a nemohou předpovědět skutečnou velikost ohniska.

Patch síť

Síť cest ukazující šíření patogenů podél řeky. 1 je nejvíce místo proti proudu a 5 je nejvíce proti proudu. Existuje obchvat 2 až 4, který by mohl být způsoben záplavami. Fotografický kredit: Obrázek s laskavým svolením Stephen Kirkland, Zhisheng Shuai, P. van den Driessche a Xueying Wang

Autoři vyvinuli nové techniky založené na několika oblastech aplikované matematiky, aby určili jak R.0 se změní, když se změní struktura sítě. Jejich matematický přístup umožnil analyzovat dva různé typy modelových sítí: hvězdnou síť, která obsahuje několik větví, které vycházejí z centrálního uzlu, a cestní síť, která se skládá z několika obcí uspořádaných jeden po druhém na trase.

„Hvězdná síť může představovat lidský transport mezi centrem – jako velké město – a několika listy, které by představovaly malá města nebo předměstí,“ řekl Wang. „Síť cest může představovat společenství podél řeky nebo potoka.“ Tyto rámce jsou také flexibilní – například hvězdná síť je užitečná pro modelování několika možných scénářů. „Ve hvězdné síti si můžeme představit centrální vodní zdroj – střed hvězdy – s několika komunitami, které tento zdroj zásobuje,“ řekl van den Driessche.

Do sítě stezek, které obcházejí několik míst podél řeky, je možné přidat oblouk, což by mohlo představovat velkou povodeň. Například, když se objeví nový list spojující náplast po proudu s náplastí proti proudu, model týmu ukázal, že riziko přenosu nemoci se snížilo v místech po proudu a vzrostlo v místech proti proudu. Model také zahrnoval specifické „horké místo“ podél řeky, kde jsou vyšší rychlosti přenosu nemocí; obchvat by mohl toto místo potenciálně obejít. V příkladném scénáři cestní sítě s pěti záplatami očíslovanými od 1 (nejvíce proti proudu) do 5 (nejvíce po proudu), ve kterých je obchvat 2 až 4 obtoku, mají hotspoty na různých místech různé efekty. Pokud je opravným bodem oprava 3, nic se nezmění R.0 pro celou říční síť; horké místo u opravy 1 nebo 2 vede ke snížení hodnoty R.0, zatímco horké místo na patch 4 nebo 5 způsobí nárůst v R.0.

Autoři použili své výsledky k prozkoumání možných strategií pro kontrolu ohnisek nemocí zavedením nových připojení do sítě nebo změnou síly stávajících připojení. „Naše výsledky z hvězdných i síťových sítí ukazují, že umístění hotspotu a propojení mezi záplatami jsou rozhodující pro stanovení optimální strategie pro snížení rizika infekce,“ uvedl Wang. Techniky vědců kvantifikovaly účinnost různých přístupů k řízení invazivity a zjistily matematické podmínky, za kterých je nejlepší změnit množství pohybu mezi konkrétními místy.

Zjištění z této studie by mohla být užitečná při vývoji budoucích intervenčních strategií pro nemoci. „V některých praktických situacích nemusíme mít moc pod kontrolou nad úrovní invazivity v každém patchu, ale můžeme mít větší kontrolu nad strukturou sítě, která tyto patche spojuje – například v síti letišť,“ řekl Kirkland . „Znalosti získané z našeho výzkumu mohou podporovat síťové strategie pro řízení invazivity nemocí.“

Odkaz: „Dopad různých sítí Společenství na invazi nemocí“ autorů Kirkland, S., Shuai, Z., van den Driessche, P., & Wang, X., 10. června 2021, SIAM Journal for Applied Mathematics.

Financování: Rada pro přírodní vědy a inženýrský výzkum, Národní vědecká nadace, Simonsova nadace

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.