Modele sieciowe ułatwią przewidywanie epidemii grypy

Ostatnia pandemia grypy świńskiej w 2009 roku objęła 16-21 proc. populacji świata i spowodowała ofiary śmiertelne głównie w Afryce i Azji Południowo-Wschodniej. Ich liczba jest do tej pory dyskusyjna, np. prace badawcze amerykańskiego Centers for Disease Control and Prevention (CDC) wskazywały na 579 000 zmarłych, a dane WHO z 2013 roku mówiły o 284 500.

Fakt dość nagłego pojawienia się światowej pandemii grypy postawił na porządku dziennym kwestię badania możliwości ich wystąpienia. W 2014 roku zaproponowano do tego celu nowe narzędzia predykcyjne, opierające się na sieciach społecznościowych i przetwarzaniu neuronowym.

Wikipedia jako źródło danych

Stosowany obecnie przez CDC system zbierania danych o zachorowaniach na grypę pochodzi z lat 50. ubiegłego wieku. Lekarze dostarczają informacji o pacjentach z temperaturą powyżej 39 st. C, kaszlem i innymi objawami wskazującymi na grypę. Zbieranie tych danych trwa dość długo, bo około 2 tygodni i trudno jest określić na początku czy występuje infekcja schorzeń paragrypowych, czy jest to już grypa.

Zespół badaczy amerykańskich z Los Alamos National Laboratories, kierowany przez prof. Kyle Hickmanna, zaproponował, aby do narzędzi służących do przewidywania epidemii grypy włączyć Wikipedię. Jej specjaliści zajmujący się tą tematyką to zwykle epidemiolodzy i lekarze, a informacje przez nich zebrane, zgodnie z regułami przejrzystości obowiązującymi w Wikipedii, łatwo sprawdzić. Dane, jakie pozyskują oni od lokalnych lekarzy, przychodni i szpitali, nieobciążone „filtrem” CDC są dokładniejsze i ich aktualność sięga najwyżej 2 dni, co jest znacznym przyspieszeniem w porównaniu z siecią CDC.

Istotny jest także drugi czynnik weryfikujący, tj. liczba osób, które poszukują w Wikipedii hasła „flu” lub podrzędnych do niego haseł. Im więcej takich osób dziennie, tym zagrożenie epidemią się nasila. Naukowcy sprawdzili już swoje przypuszczenia, tworząc algorytm porównujący dane Wikipedii dotyczące grypy i liczbę wejść na odpowiednie strony z danymi CDC. Udało się dość precyzyjnie na jego podstawie przewidzieć przebieg sezonu grypowego 2013/2014. Porównanie z danymi CDC po sezonie wykazało niemal całkowitą zbieżność.

Jedynym problemem — z którym zresztą nie radzi sobie także system przewidywania CDC — jest tzw. długi ogon epidemii grypy. W przypadku pojawienia się bowiem powtórnych infekcji innym szczepem wirusa grypy nie rośnie liczba wejść w odpowiednie hasła Wikipedii, przez co można przeoczyć istotną informację o początku nowego zakażenia, nowym szczepem wirusa. Według epidemiologów CDC, ważne jest jednak to, że algorytm zespołu Hickmanna ułatwia rozpoznanie szczytu zachorowań.

„Tweety” mogą wyznaczyć fazy zachorowań

Zdaniem zespołu naukowców z Carnegie Mellon i Cornell University, pracującego pod kierownictwem prof. Jiwei Li i dr Claire Cardie, z problemem rozpoznawania początku i zakończenia epidemii może poradzić sobie proponowane przez nich rozwiązanie oparte na Twitterze. Przygotowany przez tych badaczy algorytm jest w stanie przetworzyć do miliona tweetów dziennie w języku angielskim, pochodzących z całego świata, zawierających takie słowa kluczowe, jak „grypa”, „gorączka” czy „kaszel” oraz przypisać im określoną lokalizację geograficzną. W ten sposób tworzona jest mapa, która może być aktualizowana w czasie rzeczywistym. Nowe rozwiązanie zostało przetestowane na 3,6 mln tweetów dotyczących grypy, pochodzących od ponad 1 mln osób w USA (w okresie pomiędzy czerwcem 2008 a czerwcem 2010 roku).

Według naukowców, udało się określić wszystkie fazy epidemii grypy świńskiej: fazę początkową z pojawiającymi się zachorowaniami, fazę szybkiego wzrostu, fazę stabilizacji ze stałą liczbą nowych zachorowań i fazę spadku.

Z Meksyku w świat

Z kolei zespół naukowców brytyjskich z London Medical School, korzystając z danych CDC, analiz WHO, tweetów i postów pochodzących z Facebooka, stworzył własny model powstawania i rozprzestrzeniania się epidemii i pandemii grypy. Jest on oparty na samouczącym się algorytmie sieci neuronowych. Według tego modelu, istnieją dwa potencjalne ośrodki tworzenia się epidemii (a także możliwych pandemii) grypy — w południowych Chinach oraz w południowo-zachodnim Meksyku.

Epidemia pochodząca z ośrodka w Meksyku rozprzestrzenia się dwiema drogami: poprzez legalnych i nielegalnych imigrantów przekraczających Rio Grande oraz transportem lotniczym. Jak udowodniły wcześniejsze prace zespołu naukowców kanadyjskich z St. Michael’s Hospital w Toronto, w przypadku epidemii grypy świńskiej w 2009 roku z Meksyku odleciało w różnych kierunkach około 2,35 mln pasażerów. Kierowali się oni do 1018 miast w 164 krajach świata, przy czym 80,7 proc. pasażerów leciało do jednego z miast USA lub Kanady, 8,8 proc. — do Ameryki Południowej, na Karaiby i do Ameryki Środkowej, 8,7 proc. do Europy Zachodniej, 1 proc. do Azji i 0,8 proc. do innych miejsc docelowych, w większości w Europie Środkowej.

Późniejszy rozwój epidemii był dokładnie odbiciem tych kierunków — najszybciej i w najsilniejszej postaci wirus A/H1N1/09 pojawił się w USA, potem w Kanadzie i Środkowej Ameryce. Wzrost zachorowań w Europie Zachodniej i Środkowej nastąpił najpóźniej i bez wątpienia musiał być wywołany przeniesieniem z innego kierunku, co sugerowałoby połączenie wirusa A/H1N1 szczepu Meksyk z jakimś wirusem lokalnym. Prawdopodobnie takie połączenie nastąpiło na obszarze Skandynawii, co tłumaczyłoby wysoką jak na tamtejsze warunki liczbę zgonów z powodu zakażenia A/H1N1.

Jest bardzo prawdopodobne, że w przypadku następnej pandemii z ośrodkiem tworzenia się w Meksyku ta sytuacja się powtórzy i ośrodek tworzenia się nowej odmiany szczepu pandemicznego także znajdzie się w Europie Zachodniej (choć niekoniecznie w Szwecji). Największej liczby zachorowań należy spodziewać się w Ameryce Środkowej, USA, Kanadzie i Europie Zachodniej, zaś prawdopodobnie dopiero po przejściu w fazę stabilizacji na tych obszarach, grypa zaatakuje Afrykę. Europa Środkowa powinna być poza centrum pandemii, podobnie jak Europa Południowa. Cechą główną rozprzestrzeniania się tej pandemii będzie dość powolny rozwój poza subkontynentem amerykańskim i stosunkowo niewielka liczba zachorowań w Azji.

Przybysze ze Wschodu

Epidemia i pandemia wywodzące się z południowych Chin będą się rozprzestrzeniać dwiema drogami: lotniczo-morską na południowy wschód w kierunku Indonezji i Australii oraz lotniczą w kierunku Europy Zachodniej. Obejmując Chiny i ekspandując w kierunku Pakistanu, Indii, krajów Półwyspu Arabskiego oraz poprzez drogę lotniczą do zachodniej Europy, epidemia taka stworzy w ciągu tygodnia zagrożenie pandemiczne na całym obszarze Europy i Azji oraz zaatakuje Afrykę.

Pierwsze zachorowania w Europie Zachodniej mogą nastąpić do 72 godzin od momentu wejścia na pokład samolotu osób przenoszących wirusa z Azji. Im bardziej odmienny będzie nowy szczep wirusa od powodujących wcześniejsze pandemie, tym rozwój zachorowań będzie szybszy. Kluczowymi ośrodkami dla jej zawleczenia i transmisji będą porty lotnicze: Frankfurt, Londyn oraz Paryż, skąd wirus — razem z zakażonymi pasażerami — będzie penetrował nowe kraje Europy i prawdopodobnie Afryki. Jednocześnie ekspansja epidemii nastąpi drogą lądowo-morską w Azji, Australii i Oceanii. W tym scenariuszu to Kanada, USA i kraje Ameryki Południowej mają około 5-6 dni na przygotowanie się na pierwsze zachorowania, przy czym pandemia może na ich terenach nie powodować szybkiego wzrostu zakażeń.

Port przesiadkowy zakażenia

Według badaczy, najgorszym scenariuszem nie będzie przeniesienie wirusa drogą lądową, lecz morską, np. przez port w Rotterdamie. Statek, którego część załogi jest chora na grypę nabytą w czasie pobytu w jednym z portów chińskich, a część już z tej choroby zdrowieje, prawdopodobnie trafiłby do rozładunku, zamiast stać na redzie. Przy obecnym reżimie cięcia kosztów żaden operator nie może sobie pozwolić na postój na redzie kontenerowca 200 tys. DWT z powodu grypy załogi. Tymczasem wirus grypy, przepasażowany przez organizmy 20-25 marynarzy i oficerów, byłby wyjątkowo groźny i epidemia mogłaby, według naukowców, postępować wyjątkowo szybko. Trudno też byłoby określić jej fazę początkową. Pierwsze zachorowania „utonęłyby” w zachorowania paragrypowych i przypadkach grypy sezonowej. Na szczęście szansa na realizację takiego scenariusza jest niewielka, o ok. 40 proc. mniejsza niż w przypadku szerzenia się grypy meksykańskiej.

Jak jednak zauważyli naukowcy z University of Liverpool, szansa na realizację scenariusza z początkową fazą epidemii w południowych Chinach jest większa niż w przypadku wybuchu epidemii w Meksyku. Zespół pod kierownictwem prof. Jonathana Reada zbadał istotne dla rozprzestrzeniania się epidemii wzorce społeczne w prowincji Guangdong. Jest to obszar kluczowy epidemiologicznie, bowiem w prowincji tej stwierdzono występowanie po raz pierwszy przypadków SARS oraz co najmniej kilku epidemii gryp sezonowych, a ostatnio także transmisję grypy ptasiej ze zwierząt na ludzi.

Badając wzorce społeczne 1821 mieszkańców wsi i miast prowincji, naukowcy stwierdzili, iż każdy z nich przebywa z innymi ludźmi średnio od 5 do 10 godzin dziennie (ludzie młodzi zwykle spędzają więcej czasu z innymi). Mieszkańcy wsi odbywają też długie wędrówki — średnio 8 km dziennie. Każdy z badanych spotyka średnio ok. 10 osób dziennie, przy czym nie ogranicza się do wymiany z każdą z nich pozdrowień, lecz rozmawia przynajmniej 15 minut. Według naukowców, są to idealne warunki do rozprzestrzeniania się epidemii grypy. Sądzą oni, iż następne zagrożenie epidemiczne lub nawet pandemiczne nadejdzie właśnie z południowych Chin.