Large-scale vector-borne disease agent-based model, with application to Chikungunya in Colombia

This document presents the development of a large-scale agent-based model to represent vector-borne disease transmission dynamics. Specifically the model represents the transmission of chikungunya in Colombia. Due to their similarities, the model can also be applied to simulate dengue epidemics. The aim of this model is to contribute to the knowledge of chikungunya, to reproduce realistic epidemics, and to quantify the impact of vector control programs to halt the spread of the disease. Chikungunya is a disease transmitted by the \textit{aedes} mosquitoes, particularly \aegypti and \textit{Aedes albopictus}. Chikungunya symptoms are similar to dengue, but it is characterized by acute join-pain that can last for years. In Colombia, the \aegypti is found in larger proportions than the \textit{Aedes albopictus}. The \aegypti mainly obtains its food from humans, hence it is often considered a residential mosquito. The model proposed in this thesis represents humans and mosquitoes. Humans are represented by agents whose health status can be classified in a S-E-I-R structure (Susceptible, Exposed, Infectious, Recovered). Whereas mosquitoes are represented by a homogeneous meta population model with the S-E-I compartments. In the model, the virus transmission occurs in specific locations such as households, workplaces, or schools. In each location, the number of mosquitoes are computed based on temperature and the human density. Mosquitoes and humans can transmit the infection to each other with specific probabilities determined in the model. Transmission occurs when an infectious agent visits a place with susceptible vectors, or when a susceptible agent visits a place with infectious mosquitoes. These visits are determined by each agent's activities that are assigned in a synthetic population, these activities include: household visits, school attendance, work attendance, and travel. A synthetic population was developed to represent a realistic population of Colombia. The synthetic population represents the population of the 1122 municipalities and 33 departments of the country. Additionally, the synthetic population reproduces daily activities for each individual based on the census data. Human mobility was also represented in the model implementing a calibrated gravity model to represent air travel. The model's parameters were calibrated to represent chikungunya dynamics reported in the Riohacha, Guajira. Some of the parameter values were obtained from the literature while others were adjusted using an optimization algorithm. This calibrated model was used to estimate the impact of vector control strategies in the city of Santa Marta, Magdalena. The control parameters in the model were modified to determine improvements to design optimal vector control strategies. Lastly, the model was simulated in a national-scale to evaluate the burden of the chikungunya with and without vector control strategies.Resumen. En esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo basado en agentes para representar la dinámica de enfermedades transmitidas por vectores. En específico, en Colombia para chikungunya, con posibles aplicaciones para dengue. Con el modelo se busca estimar la carga de casos de chikungunya en el país y evaluar el impacto de control vectorial para controlar su expansión en el país. El chikungunya es una enfermedad transmisible por mosquitos del tipo aedes, en especial aedes aegypti y albopictus. Su sintomatología es similar al dengue, con una diferencia de dolor en las articulaciones que puede prolongarse por años, dependiendo del paciente. En Colombia, el mosquito aegypti se encuentra en mayor proporción que el albopictus. Este es considerado un mosquito residencial, debido a que se alimenta principalmente de humanos, consecuentemente, se encuentra en su mayoria en cercanías a los hogares. El modelo representa estados de salud en humanos, basados en un modelo SEIR (Susceptible-Expuesto-Infectado-Recuperado). Mientras que para mosquitos se basa en la estructura SEI. La transmisión del virus en el modelo ocurre en lugares específicos, tales como, hogares, lugares de trabajo o colegios. Dentro de estos establecimientos, se encuentra un número determinado de mosquitos que depende de la cantidad de humanos y de la temperatura promedio anual. Estos mosquitos pueden infectarse con el virus con una probabilidad de infección determinada en el modelo, para luego transmitirlo a los humanos susceptibles que visitan ese lugar. Por su parte, cada humano tiene asignadas una cantidad de actividades dependiendo de su situación (estudiante, trabajado, ama de casa, etc), estas actividades se realizan con prioridad, mientras que hay una lista extra de actividades opcionales como viajar, visitar a un vecino, etc. De esta manera, los agentes pueden transmitir o infectarse con el virus. Con el objetivo de representar una población cercana a la realidad, hubo la necesidad de desarrollar una población sintética que represente estadísticamente la población de Colombia. Además, que represente las actividades principales de cada agente, e.g. estudiar, trabajar, etc. La población sintética representa los 1122 municipios del país. Además, el modelo requiere de grillas de temperatura que fueron obtenidos de bases de datos de libre acceso. Finalmente, el modelo incluye una estimación de los viajes interdepartamentales, basado en datos de flujo entre aeropuertos del país. El modelo fue sintonizado utilizando reportes de casos de chikungunya del 2014-2015. Usando un municipio como muestra y estimando el desempeño del modelo con municipios no sintonizados. Este modelo sintonizado fue utilizado para evaluar el impacto de las campañas de control en el municipio de Santa Marta (Magdalena), donde se registro un caso exitoso de prevención de la enfermedad utilizando control vectorial. Finalmente, el efecto del control vectorial fue estimado, simulando una epidemia en todo el país con diferentes estrategias vectoriales.Doctorad

Lying in Wait: The Resurgence of Dengue Virus After the Zika Epidemic in Brazil

After the Zika virus (ZIKV) epidemic in the Americas in 2016, both Zika and dengue incidence declined to record lows in many countries in 2017-2018, but in 2019 dengue resurged in Brazil, causing ~2.1 million cases. In this study we use epidemiological, climatological and genomic data to investigate dengue dynamics in recent years in Brazil. First, we estimate dengue virus force of infection (FOI) and model mosquito-borne transmission suitability since the early 2000s. Our estimates reveal that DENV transmission was low in 2017-2018, despite conditions being suitable for viral spread. Our study also shows a marked decline in dengue susceptibility between 2002 and 2019, which could explain the synchronous decline of dengue in the country, partially as a result of protective immunity from prior ZIKV and/or DENV infections. Furthermore, we performed phylogeographic analyses using 69 newly sequenced genomes of dengue virus serotype 1 and 2 from Brazil, and found that the outbreaks in 2018-2019 were caused by local DENV lineages that persisted for 5-10 years, circulating cryptically before and after the Zika epidemic. We hypothesize that DENV lineages may circulate at low transmission levels for many years, until local conditions are suitable for higher transmission, when they cause major outbreaks

Modelamiento de la dinámica del dengue en Colombia

En esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo matemático de la dinámica del virus del dengue que, a través del ajuste de parámetros, representa la situación de epidemiológica en Colombia desde 1997. Este modelo constituye una herramienta para los entes responsables de la toma de decisiones en salud pública, ya que permite la evaluación de diferentes escenarios de vacunación u otras medidas de control de la epidemia. Para realizar el modelo matemático es necesario tener en cuenta que el virus del dengue tiene tres características fundamentales: 1. Es un virus transmitido por vector, es decir, no se transmite entre humanos por contacto entre estos, sino que necesita de un agente que realice la transmisión entre humanos. 2. Se divide en cuatros serotipos que ´únicamente proporcionan inmunidad permanente al serotipo que causa cada infección, permitiendo as cuatro infecciones sucesivas de distintos serotipos. 3. La enfermedad generada a partir de la infección por el virus, tiene diferentes presentaciones, el Dengue (o Dengue Simple) y el Dengue Grave (anteriormente conocido como Dengue Hemorrágico) que en general se produce en los casos de reinfección. En el modelo, estas características son importantes ya que hay que incluir la población de mosquitos, especificar la cantidad de serotipos del virus y, preferiblemente, representar los casos de Dengue Grave que son los que causan mayores complicaciones presenta, tanto en términos económicos como de salud. El modelo matemático se basa en la estructura clásica SIR (Susceptible - Infectado - Removido) propuesta por Kermack-McKendrick. Es un modelo determinístico que cuenta con 19 ecuaciones diferenciales ordinarias, de las cuáles 16 representan la dinámica del virus en los humanos y las otras tres, las del vector. La población de humanos se divide en dos grupos de edad, con el objetivo de distinguir los casos del virus en niños y en adultos; además, de permitir la evaluación de estrategias de vacunación enfocadas en la población infantil. También se incluye la circulación dos serotipos del virus, con lo que es posible obtener los casos de reinfección y consecuentemente los casos de Dengue Grave. Luego de la formulación matemática del modelo, se realizó el proceso de sintonización de los parámetros para representar la dinámica del virus en el país, de acuerdo con los reportes históricos de casos. Con el modelo sintonizado, se obtuvo un escenario de casos para los próximos tres años (2012-2014), con lo que se detectó la aparición de un brote dentro de este lapso. Además, se simularon diferentes campañas de vacunación en la búsqueda de un escenario ´optimo de utilización de los recursos y beneficios obtenidos, en términos de la cantidad de infectados por el virus.Abstract. Mathematical models are considered a tool for decision makers in public health institutions. In view of new research and progress in the development of the first dengue vaccine, it is desired to design a mathematical model which allows the analysis of different vaccination campaigns before they are applied. In this paper, we develop a mathematical model to represent the transmission dynamics of the dengue virus in a population divided into two age groups. Furthermore, the model represents the dengue dynamics in Colombia under the assumption that there are only two serotypes in circulation. The model has been used to forecast the number of Dengue and Severe Dengue cases for the next three years. In addition, those results can be used for economic evaluations in the future and for studying control strategies.Maestrí