致病症状:改变社区网络影响疾病传播

运输网络概念

新冠肺炎大流行已经明确了解理解疾病如何在整个运输网络中传播的重要性。然而,严格地确定疾病风险和改变网络之间的联系 - 这是人类或环境可能会改变 - 由于这些系统的复杂性导致的挑战。在今天(星期四,6月10日星期四,2021年)的论文中暹罗杂志上的应用数学,Stephen Kirkland(Manitoba大学),Zhisheng Shuai(佛罗里达大学),P.Van Den Driessche(维多利亚大学),薛莹王(华盛顿州立大学)研究了多个互连社区网络的变化影响随后的疾病传播。四位研究人员被举办为美国数学研究所的结构化四方研究。

常见的数学模型使用多个互连的贴片来表示通过运输网络连接的单独的地理区域。疾病通常通过蚊子和蜱等昆虫沿着这些网络传播,这些网络可以围绕人或商品骑行。病原微生物,如细菌和原生动物,也可以通过河网络传播疾病。“这种疾病传播可能因洪水而增加,这可能会产生一个新的捷径,”帅说。“疾病动态将如何改变网络中的这种变化?”

星网

若干可能的星际网络配置,其中1个是中心的集线器。这种网络可以代表城市和郊区之间的旅行。信用:图斯蒂芬柯克兰,智能帅,P.Van den Driessche,以及薛英王

为了回答这个问题,研究人员试图衡量基本的再现号码R.0.整个网络。R.0.决定疾病可染色- 如果它大于1,则可能会产生感染的数量;如果小于1,疾病最终会消失。“当斑块之间的分散速度快于疾病或群体的动态时,事实证明网络再现号码R.0.王说,可以近似为各个补丁再现数字的加权平均值。“

例如,如果河里的病原体感染霍乱的人,水比病原体衰减更快地移动,那么可以近似R.0.对于整个河网络,作为沿河的每个单独社区的基本再现号码的组合。这是重要的,因为价值R.0.可以指导疾病控制策略 - 尽管它提供的信息有限,但它无法预测爆发的实际规模。

补丁网络

代表河沿河的群体传播的路径网络。1是最上游位置,5是最下游的。从2到4旁边有一个可能是由洪水引起的。信用:图斯蒂芬柯克兰,智能帅,P.Van den Driessche,以及薛英王

作者基于应用数学的几个领域开发了新技术,以确定如何R.0.改变了网络结构时的变化。它们的数学方法能够对两种不同类型的模型网络进行分析:星际网络,其中包含几个源于中心集线器的分支,以及路径网络,该路径网络由沿着轨道顺序定位的若干社区组成。

“星球网络可以代表一个枢纽之间的人类运输 - 像一个大城市 - 以及几叶,这将代表小城市或郊区,”王说。“路径网络可以代表沿河或流的社区。”这些框架也是灵活的 - 例如,星形网络对于建模多种可能的场景非常有用。“在星际网络中,我们可以想到一个中央水源 - 明星的中心 - 通过该来源提供的几个社区,”van den driessche说。

可以将弧形添加到路径网络,该路径网络绕过河流的几个位置,这可能代表一个主要的洪水。例如,如果将下游补丁连接到上游补丁的新弧,则该团队的模型表明疾病传输风险在下游位置下降并在上游位置增加。该模型还沿着河流沿着河流纳入某种“热点”;旁路可能会避免这个位置。在路径网络的示例场景中,其中有五个修补程序编号为1(最上游)到5(大多数下游),其中从贴片2到4旁路,不同位置处的热点产生不同的效果。当补丁3是热点时,没有变化R.0.为整个河流网络;贴片1或2处的热点导致减少R.0.,贴片4或5处的热点会增加R.0.

作者利用了他们的结果,探讨通过在网络上引入新的联系或改变现有联系的强度来探讨控制疾病爆发的可能策略。王说,“我们从恒星和路径网络突出显示热点的放置和斑块之间的连接对减少感染风险的最佳策略是至关重要的。”研究人员的技术量化了不同方法在控制可侵犯性方面的有效性,并发现了最佳改变某些位置之间的运动量的数学条件。

本研究的见解可能有助于形成未来的疾病干预策略。“在一些实际设置中,我们可能无法控制各种修补程序中的可粘性水平,但我们可以更好地控制连接这些补丁的网络结构 - 例如,在机场网络中,”Kirkland表示。“从我们的研究中获得的见解可能会通知基于网络的策略来控制疾病的可染色性。”

参考:“不同社区网络对疾病入侵”的影响由Kirkland,S.,Shuai,Z.,Van Den Driessche,P.,&Wang,X.,2021年6月10日,暹罗杂志上的应用数学

资金:自然科学与工程研究委员会,国家科学基金会,西蒙斯基金会

是第一个评论论“致病侵犯:改变社区网络影响疾病传播”

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