Mathematical models of environmental opportunist pathogen dynamics

Environmental opportunist pathogens are a class of organisms that are able to both infect multicellular hosts and grow in the outside-host environment as free-living organisms. Environmental opportunism differs from obligate parasitism in that direct host-to-host contact is not necessary for disease transmission and that there are environmental pathogen reservoirs which in suitable conditions act as sources of infection. Because of this, environmental opportunist pathogens form a persistent threat to human health, livestock, and wildlife, and cannot be eradicated by treating hosts. Three well-known examples of pathogens of this class are Vibrio cholerae, Flavobacterium columnare, and Bacillus anthracis, all of which cause sporadic outbreaks. Between infections, these pathogens are subject to multiple biotic and abiotic environmental pressures in the outside-host environment. While environmental opportunist pathogens are not dependent on live hosts for transmission and thus benefit from increased virulence, balancing between the two environments, within-host and outside-host, might incur trade-offs and thus limitations to their spread. In this thesis I have developed mathematical models of environmental opportunist pathogen dynamics and studied the effects of environmental variation and outsidehost interactions on patterns of pathogen outbreaks. The studies included in the thesis address (i) the origin of a sigmoidal dose-dependent infectivity response, (ii) the effect of competition in the outside-host environment on opportunist pathogen outbreaks, (iii) the effect of environmental variation on environmental opportunist dynamics, and (iiii) how environmental variation enables invasions of emerging opportunist pathogen strains. The modelling approach has enabled identification of factors such as alleviation of competitive pressure and certain kinds of environmental variation as outside-host environmental factors that promote outbreaks. Additionally, modelling results can be used to suggest control strategies to reduce the probability of environmental opportunist pathogen outbreaks.Ympäristössämme elää opportunistisia taudinaiheuttajia, jotka voivat tietyissä oloissa aiheuttaa vakavia epidemioita. Tällaisia taudinaiheuttajia ovat esimerkiksi kolera (Vibrio cholerae), pernarutto (Bacillus anthracis) ja flavobakterioosi (Flavobacterium columnare). Ympäristön opportunistiset taudinaiheuttajat aiheuttavat jatkuvan uhan ihmisten ja muiden eläinten terveydelle, sekä ruoan tuotannolle. Koska nämä taudinaiheuttajat pystyvät elämään luonnossa vapaana, niitä ei voida hävittää hoitamalla tartunnan saaneita isäntiä. Toisaalta vapaana eläessään ne ovat alttiita ympäristöolojen, kuten esimerkiksi lämpötilan ja sademäärän vaihtelulle, sekä vuorovaikutuksille toisten lajien kanssa. Tässä väitöskirjatyössä esitetään uusia matemaattisia malleja, joilla voidaan kuvata ympäristössä elävien opportunististen taudinaiheuttajien vuorovaikutusta ympäristönsä sekä taudin isäntälajin kanssa. Näiden mallien pohjalta voidaan paremmin ymmärtää miten ympäristön vaihtelu ja lajien väliset vuorovaikutukset toisaalta altistavat opportunististen taudinaiheuttajien epidemioille ja toisaalta estävät epidemioita syntymästä. Väitöskirja koostuu osajulkaisuista, joissa tarkastellaan i) infektioiden muodostumisnopeutta taudinaiheuttajatiheyden funktiona, ii) ympäristössä tapahtuvan lajienvälisen kilpailun vaikutusta taudinaiheuttajan vapaana elävän populaation kokoon ja sitä kautta epidemioiden syntytodennäköisyyteen, iii) ympäristövaihtelun roolia uusien taudinaiheuttajakantojen synnyssä ja iiii) eri tyyppisten ympäristön vaihtelujen yleistä vaikutusta epidemioiden määrään ja laatuun. Matemaattisten mallien analyysin keskeisimpinä tuloksina nähdään, että kilpailu ympäristössä toisten lajien kanssa pitää potentiaalisten opportunististen taudinaiheuttajien populaatiotiheyksiä alhaisina, ja siten hillitsee epidemioiden syntyä. Ympäristövaihtelu tai esimerkiksi ympäristöön pääsevät antibiootit tai desinfiointiaineet saattavat joissain tilanteissa vähentää vapaina eläviin opportunistisiin taudinaiheuttajiin kohdistuvaa kilpailua, ja siten altistaa näiden aiheuttamille epidemioille. Eri tyyppiset ympäristön vaihtelut vaikuttavat taudinaiheuttajien ja isäntälajin interaktioon eri tavoin, ja saattavat yhtäaikaa vaikuttaessaan joko lisätä tai vähentää epidemioiden synnyn riskiä. Tästä syystä näiden taudinaiheuttajien ekologisten vuorovaikutusten ymmärtäminen on epidemioiden torjunnan kannalta erittäin tärkeää

Model of bacterial toxin-dependent pathogenesis explains infective dose

The initial amount of pathogens required to start an infection within a susceptible host is called the infective dose and is known to vary to a large extent between different pathogen species. We investigate the hypothesis that the differences in infective doses are explained by the mode of action in the underlying mechanism of pathogenesis: Pathogens with locally acting mechanisms tend to have smaller infective doses than pathogens with distantly acting mechanisms. While empirical evidence tends to support the hypothesis, a formal theoretical explanation has been lacking. We give simple analytical models to gain insight into this phenomenon and also investigate a stochastic, spatially explicit, mechanistic within-host model for toxin-dependent bacterial infections. The model shows that pathogens secreting locally acting toxins have smaller infective doses than pathogens secreting diffusive toxins, as hypothesized. While local pathogenetic mechanisms require smaller infective doses, pathogens with distantly acting toxins tend to spread faster and may cause more damage to the host. The proposed model can serve as a basis for the spatially explicit analysis of various virulence factors also in the context of other problems in infection dynamics

Towards Ethical and Sustainable Technology-Supported Ageing at Home in Finland - KATI Programme

Publisher Copyright: Copyright © 2021 for this paper by its authors.The population of Finland is ageing with greater demand for health and social care; homecare workers are over-burdened with keeping up with this change whilst ageing themselves. Technology is seen as one of the most promising solutions to tackling these challenges. In the national KATI programme, six regional projects will implement technology solutions and adopt new technology-based practices in a coordinated manner to support the ageing of older people at home as well as the homecare professionals and services. In this article, we give an overview of the variety of technology solutions being implemented and the first ethical questions that have been raised by the projects in the early phase. Thereafter, we highlight three different theoretical approaches that support the ethical and sustainable technology implementation advanced by the programme. The approaches 1) emphasize the holistic perspective on the health of the older person and the method of discourse ethics to seek for consensus about the technology solutions, 2) learn from safety research and the change theory for better ethical design of AI systems, and 3) analyse the technology implementations and the programme from a systemic perspective within the framework of socio-technological transition.Peer reviewe

Landscape structure and ecology influence the spread of a bat fungal disease

White-nose syndrome (WNS), affecting multiple North American bat species during the hibernation period, is a highly pathogenic disease caused by the psychrophilic fungus Pseudogymnoascus destructans (Pd). Because the fungal pathogen persists in the hibernation site environment independently of the hosts, previous theory on spatial disease dynamics cannot predict WNS epidemics. However, the ability to understand factors contributing to the spread of white-nose syndrome (WNS) in North America is crucial to the management of infected and susceptible bat populations as well as the conservation of threatened and endangered bat species. Utilizing recent theory on environmental opportunistic pathogens, we modelled the effect of (a) landscape clustering, (b) environmental conditions in hibernacula and (c) microbial competition on the spread of WNS. We used available, already published data to construct and parameterize our model, which takes into account the spatial distribution of hibernation sites, temperature conditions in both the outside ambient and hibernation site environment, bat population dynamics, dispersal and infection by the pathogen, which also has its host-independent dynamics with the environment. We also consider the effect of outside-host competition between the pathogen and other micro-organisms on spatial disease dynamics. Our model suggests that pathogen loads accumulate in poorly connected hibernacula at short host dispersal, which can help found the epidemic. In contrast, invasion of the landscape is most successful at long host dispersal distances, with homogenous hibernation site distribution and heterogeneous between-hibernation site temperatures. Also, increasing the mean temperature across hibernacula increases fungal growth rate, leading to higher disease prevalence and faster invasion rate. Increasing spatial heterogeneity in hibernaculum temperatures results in the formation of disease hotspots in warmer hibernacula, facilitating more effective spread of the disease in the landscape. Cold-adapted competing microbes can prevent invasion, and therefore, overwintering in cold hibernacula increases probability of host survival. Sites that were suboptimal for overwintering prior to WNS may have importance in preventing local extirpations. Although the model is tailored for WNS, due to pressing need for results that can assist in planning conservation measures, these novel results can be broadly applied to other environmentally transmitted diseases. A is available for this article.Peer reviewe

Environmental variation generates environmental opportunist pathogen outbreaks

Many socio-economically important pathogens persist and grow in the outside host environment and opportunistically invade host individuals. The environmental growth and opportunistic nature of these pathogens has received only little attention in epidemiology. Environmental reservoirs are, however, an important source of novel diseases. Thus, attempts to control these diseases require different approaches than in traditional epidemiology focusing on obligatory parasites. Conditions in the outsidehost environment are prone to fluctuate over time. This variation is a potentially important driver of epidemiological dynamics and affect the evolution of novel diseases. Using a modelling approach combining the traditional SIRS models to environmental opportunist pathogens and environmental variability, we show that epidemiological dynamics of opportunist diseases are profoundly driven by the quality of environmental variability, such as the long-term predictability and magnitude of fluctuations. When comparing periodic and stochastic environmental factors, for a given variance, stochastic variation is more likely to cause outbreaks than periodic variation. This is due to the extreme values being further away from the mean. Moreover, the effects of variability depend on the underlying biology of the epidemiological system, and which part of the system is being affected. Variation in host susceptibility leads to more severe pathogen outbreaks than variation in pathogen growth rate in the environment. Positive correlation in variation on both targets can cancel the effect of variation altogether. Moreover, the severity of outbreaks is significantly reduced by increase in the duration of immunity. Uncovering these issues helps in understanding and controlling diseases caused by environmental pathogens.Peer reviewe

Litter quality and its response to water level drawdown in boreal peatlands at plant species and community level

Changes in the structure of plant communities may have much more impact on ecosystem carbon (C) cycling than any phenotypic responses to environmental changes. We studied these impacts via the response of plant litter quality, at the level of species and community, to persistent water-level (WL) drawdown in peatlands. We studied three sites with different nutrient regimes, and water-level manipulations at two time scales. The parameters used to characterize litter quality included extractable substances, cellulose, holocellulose, composition of hemicellulose (neutral sugars, uronic acids), Klason lignin, CuO oxidation phenolic products, and concentrations of C and several nutrients. The litters formed four chemically distinct groups: non-graminoid foliar litters, graminoids, mosses and woody litters. Direct effects of WL drawdown on litter quality at the species level were overruled by indirect effects via changes in litter type composition. The pristine conditions were characterized by Sphagnum moss and graminoid litters. Short-term (years) responses of the litter inputs to WL drawdown were small. In longterm (decades), total litter inputs increased, due to increased tree litter inputs. Simultaneously, the litter type composition and its chemical quality at the community level greatly changed. The changes that we documented will strongly affect soil properties and C cycle of peatlands.Peer reviewe

Lääkebarometrin mukaan lääkkeiden hankinta apteekista sujuu helposti

Fimean Lääkebarometri 2019 -kyselyn mukaan enemmistö suomalaisista kokee lääkkeiden hankinnan olevan vaivatonta. Puolet suomalaisista voisi ostaa lääkkeensä verkkopalvelusta. Itsehoitolääkkeitä pidetään tehokkaina, mutta niiden käyttöön liitetään myös riskejä

Lääkebarometri 2019 : Lääkehoito hallussa?

Suurin osa lääkehoidoista toteutetaan avohoidossa siten, että pitkäaikaissairas on itse vastuussa lääkkeensä ottamisesta. Edellytyksenä sille, että lääkehoito olisi hallussa on, että pitkäaikaissairas on saanut yhdessä lääkärin kanssa päättää hoidostaan. Lisäksi hänen täytyy tuntea lääkehoitonsa tavoitteet ja miten niiden saavuttamista voi seurata. Hänellä tulee olla myös ajantasainen lääkityslista. Tieto näiden edellytysten toteutumisesta auttaa suunnittelemaan ja toteuttamaan väestötason lääkepoliittisia toimia lääkehoidon hallinnan tukemiseksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ja kuvailla suomalaisen väestön kokemuksia lääkehoidoista, mielipiteitä lääkkeistä, näkemyksiä lääkehoidon seurannasta, terveyden lukutaitoa ja osallistumista lääkehoitoa koskevaan päätöksentekoon. Tutkimus toteutettiin verkkokyselynä syys-lokakuussa 2019. Kutsu osallistua kyselyyn lähetettiin yhteensä 10 650 Taloustutkimuksen internetpaneeliin kuuluvalle 18–79-vuotiaalle henkilölle. Otanta toteutettiin ositettuna satunnaisotantana ottaen huomioon ikä, sukupuoli, koulutustaso ja asuinalue. Kyselyyn vastasi yhteensä 2 104 henkilöä, joista 55 % oli naisia. Vastaajista 64 %:lla oli jokin pitkäaikaissairaus. Yleisimmät sairaudet ja sairauksien riskitekijät olivat kohonnut verenpaine (23 %), kohonnut veren kolesteroli (13 %), tuki- ja liikuntaelinsairaus tai -vamma (pois lukien reuma) (11 %) ja astma tai muu keuhkosairaus (11 %). Suurin osa vastaajista koki lääkkeiden auttavan ihmisiä elämään pidempään (89 %) ja parempaa elämää (96 %). Puolet (49 %) vastaajista oli kuitenkin sitä mieltä, että lääkärit määräävät lääkkeitä liian paljon. Joka kolmas (35%) vastaajista koki lääkäreiden luottavan lääkkeisiin liikaa. Yli puolet (56 %) vastaajista uskoi, että mikäli lääkäreillä olisi enemmän aikaa potilaille he määräisivät vähemmän lääkkeitä. Kaikista vastaajista 18 % ja pitkäaikaissairaista 26 % ilmoitti, että heillä on olemassa ajantasainen lääkityslista. Lähes kaikki reseptilääkkeitä käyttävistä tiesi kaikkien käyttämiensä reseptilääkkeiden käyttötarkoituksen. Omaa terveydentilaansa vastaajat seurasivat useilla eri tavoilla, joista suosituimpia olivat oman yleisen voinnin tarkkailu (75 %), omamittaukset (40 %), painon seuranta (38 %) ja laboratoriomittausten tulosten seuranta (38 %). Pitkäaikaissairaista yleisimmin terveydenhuoltoon ovat yhteydessä syöpää (60 %), masennusta (44 %) tai muuta mielenterveydenhäiriötä (47 %) sairastavat. Harvimmin yhteydessä terveydenhuoltoon ovat ihosairautta (48 %), migreeniä tai muuta kroonista päänsärkyä (44 %), maha-suolikanavan sairauksia (41 %) ja epilepsiaa (41 %) sairastavat. Vastaajista 11 % ilmoitti kokevansa aina/usein ja 33 % joskus ongelmia omaan terveydentilaan liittyvien asioiden ymmärtämisessä. Lääkepakkausten pakkausselosteet luki 74 % vastaajista aina/usein. Vaikeuksia niiden ymmärtämisessä koki aina, usein tai joskus puolet vastaajista. Kyselyyn vastanneista suurin osa halusi keskustella lääkärin kanssa hoitovaihtoehdoista (89 %) ja lääkkeen valinnasta (79 %). Tämän tutkimuksen tulokset antavat kahtiajakoisen kuvan väestötason edellytyksistä lääkehoidon hallintaan. Lääkkeiden käyttötarkoitukset tiedetään hyvin ja lääkkeiden vaikutuksia seurataan useilla eri tavoilla. Lääkehoitoa koskevaa päätöksenteossa halutaan olla aktiivisesti mukana, eikä lääkkeet aina ole ensisijainen toive vastaanotolla. Ajantasainen lääkityslista on vain harvoin tehtynä, ja sen laadinnan ja ylläpidon merkityksestä pitää edelleen tiedottaa aktiivisesti väestölle. Eri pitkäaikaissairauksien välillä on eroja siinä, miten lääkehoitojen koetaan auttavan ja kuinka usein hoidosta ollaan yhteydessä terveydenhuoltoon. Lääkebarometri on väestölle suunnattu kyselytutkimus, jonka avulla selvitetään suomalaisten näkemyksiä lääkkeistä. Joka toinen vuosi toteutettavan väestökyselyn sisältö koostuu vaihtuvista lääkehoidon ajankohtaisia teemoja käsittelevistä moduuleista. Lääkebarometrin toteutuksesta ja kyselyn perustulosten raportoinnista vastaa Lääkealan turvallisuus- ja kehittämiskeskus Fimea

Loss of competition in the outside host environment generates outbreaks of environmental opportunist pathogens

Peer reviewe