Contribution to the development of a climate-sensitive spatial epidemiological model for the early warning of West Nile Virus outbreaks
Authors: Αγγέλου Αναστασία 
Published: November 2024

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η βελτίωση ενός κλιματικώς εξαρτημένου χωρικού επιδημιολογικού μοντέλου για την πρόβλεψη του κινδύνου μετάδοσης του ιού του Δυτικού Νείλου (ΙΔΝ) στην Ελλάδα. Αυτό περιλαμβάνει την κατανόηση της δυναμικής μετάδοσης και της εμμονής του ΙΔΝ, τη δημιουργία και τη βαθμονόμηση ενός μοντέλου χρησιμοποιώντας επιδημιολογικά και περιβαλλοντικά δεδομένα, την ενσωμάτωση ειδικών χαρακτηριστικών για τα κουνούπια για μεγαλύτερη ακρίβεια και την επέκταση του μοντέλου σε ένα πρακτικό εργαλείο πρόβλεψης για τη δημόσια υγεία. Επιπλέον, η διατριβή εξετάζει χωρικά μοτίβα και κλιματικές συσχετίσεις αφθονίας κουνουπιών, θετικότητας κουνουπιών και ανθρώπινων κρουσμάτων ΙΔΝ για τον εντοπισμό περιοχών υψηλού κινδύνου και τη βελτίωση στοχευμένων στρατηγικών παρέμβασης, με τελικό στόχο τη μείωση της συχνότητας εμφάνισης κρουσμάτων ΙΔΝ και τη διασφάλιση της δημόσιας υγείας στην Ελλάδα. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στον κύκλο μετάδοσης του ΙΔΝ, στα κλινικά συμπτώματα των ασθενών, στα μέτρα προστασίας και στην ιστορικότητα του ιού στην Ελλάδα, καθώς και σε όλα τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής.Στο Κεφάλαιο 2 αναπτύσσεται ένα χωρικό μοντέλο πρόβλεψης για τον κίνδυνο μετάδοσης του ΙΔΝ. Το μοντέλο περιγράφει τη δυναμική μετάδοσης του ΙΔΝ στις καταστάσεις υγείας των κουνουπιών, των πτηνών και των ανθρώπων και εφαρμόστηκε σε όλους τους δήμους της Ελλάδας για την περίοδο 2010-2019. Η βαθμονόμησή του πραγματοποιήθηκε με τα διαθέσιμα επιδημιολογικά δεδομένα από τον Εθνικό Οργανισμό Δημόσιας Υγείας και τα περιβαλλοντικά δεδομένα από το πρόγραμμα Copernicus. Τα αριθμητικά αποτελέσματα του μοντέλου για κάθε δήμο αξιολογήθηκαν με βάση τις παρατηρήσεις. Συγκεκριμένα, ο αριθμός των μολυσμένων ανθρώπων και η εβδομάδα εμφάνισης του πρώτου κρούσματος που προβλέπονταν από το μοντέλο συγκρίθηκαν με τους αντίστοιχους αριθμούς από παρατηρήσεις. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν ότι η υποκλιμάκωση ενός κλιματικώς εξαρτημένου επιδημιολογικού μοντέλου είναι εφικτή έως περίπου τα 80 km2. Η μέση πιθανότητα ανίχνευσης κρούσματος ήταν 72%, η οποία βελτιωνόταν σημαντικά καθώς αυξανόταν ο αριθμός των μολυσμένων ανθρώπων. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, μπορέσαμε επίσης να αναδείξουμε τη θεμελιώδη σημασία των θερμοκρασιών του Μαΐου στη διαμόρφωση της δυναμικής του ΙΔΝ. Το πλαίσιο μοντελοποίησης συνδυάζει επιδημιολογικές και περιβαλλοντικές δυναμικές μεταβλητές με δεδομένα επιτήρησης που παράγουν χάρτες κινδύνου σε τοπικό επίπεδο. Η προσέγγιση μπορεί να επεκταθεί ώστε να παρέχει στοχευμένες προβλέψεις έγκαιρης προειδοποίησης που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ενημέρωση των υπεύθυνων λήψης αποφάσεων για τη διασφάλιση της δημόσιας υγείας. Στο Κεφάλαιο 3 επεκτείνουμε το επιδημιολογικό μοντέλο που αναπτύχθηκε προηγουμένως για τη μόλυνση των ανθρώπων από ΙΔΝ στην Ελλάδα, χρησιμοποιώντας εργαστηριακά επιβεβαιωμένα κρούσματα και ειδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης για τα κουνούπια, όπως η επιλογή ξενιστή και η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία μετάδοση του ιού. Η επιλογή ξενιστή ορίστηκε από την επιλογή ξενιστή πτηνού και την επιλογή ανθρώπου ξενιστή, όπου η τελευταία αντιπροσωπεύει μόνο το κλάσμα των ανθρώπων που αναπτύσσουν συμπτώματα μετά την προσβολή τους από τον ιό. Για να μοντελοποιήσουμε το ρόλο της θερμοκρασίας στη μετάδοση του ιού, εξετάσαμε πέντε διαστήματα θερμοκρασίας. Η ικανότητα του νέου μοντέλου να ανιχνεύει τις ανθρώπινες περιπτώσεις και την εβδομάδα εμφάνισης του πρώτου κρούσματος συγκρίθηκαν με το αρχικό μοντέλο και η απόδοση βρέθηκε ιδιαιτέρως βελτιωμένη. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε επίσης για να αναδειχθούν περαιτέρω παράμετροι ενδιαφέροντος, όπως η δυναμική της μόλυνσης για διαφορετικές θερμοκρασίες, καθώς και η αφθονία κουνουπιών και πουλιών. Τα αποτελέσματα μάς δείχνουν ότι η συμπερίληψη των ειδικών για τα κουνούπια χαρακτηριστικών σε επιδημιολογικά μοντέλα ασθενειών που μεταδίδονται από τα κουνούπια οδηγεί σε βελτίωση της αξιοπιστίας τους. Στο Κεφάλαιο 4 στοχεύουμε να επεκτείνουμε το προηγουμένως αναπτυγμένο χωρικό επιδημιολογικό κλιματικώς εξαρτημένο μοντέλο για τον κίνδυνο μετάδοσης του ΙΔΝ σε ένα εργαλείο πρόβλεψης. Το μοντέλο εφαρμόστηκε στους δήμους των περιφερειών Κεντρικής Μακεδονίας και Θεσσαλίας, στην Ελλάδα, για την περίοδο 2020-2023 και ταξινομεί τους δήμους σύμφωνα με το επίπεδο κινδύνου εμφάνισης ανθρώπινου κρούσματος ΙΔΝ σε κάθε περίοδο πρόβλεψης. Το μοντέλο παράγει εποχιακές προβλέψεις που ενημερώνονται σε μηνιαία βάση καθ’ όλη την περίοδο αναπαραγωγής κουνουπιών (Απρίλιος-Σεπτέμβριος). Από την πρώτη πρόβλεψη του έτους (Απρίλιος), τα ανθρώπινα κρούσματα είχαν προβλεφθεί σωστά στο 74% των μολυσμένων δήμων στην Κεντρική Μακεδονία και στο 71% των μολυσμένων δήμων στη Θεσσαλία, ξεπερνώντας τα όρια δεξιοτήτων που ενσωματώνονται στα δεδομένα επιτήρησης. Ο παρατηρούμενος αριθμός των μολυσμένων ανθρώπων ήταν επίσης εντός του προβλεπόμενου εύρους, υποδεικνύοντας παράλληλα την γεωγραφική περιοχή με τα περισσότερα αναμενόμενα ανθρώπινα κρούσματα ΙΔΝ. Η προσέγγιση δείχνει ότι ένα κλιματικώς ευαίσθητο επιδημιολογικό μοντέλο υψηλής χωρικής ανάλυσης, που ενσωματώνει εντομολογικά δεδομένα για την πρόβλεψη του κινδύνου κρουσμάτων ΙΔΝ σε ένα πιθανολογικό πλαίσιο, μπορεί να είναι ένα χρήσιμο εργαλείο στον σχεδιασμό στρατηγικών ελέγχου. Στο Κεφάλαιο 5 εξετάσαμε τα χωρικά πρότυπα και τις συσχετίσεις των επιπέδων κουνουπιών, των επιπέδων μολυσμένων κουνουπιών και των ανθρώπινων κρουσμάτων ΙΔΝ σε όλους τους δήμους της Περιφέρειας Κεντρικής Μακεδονίας (ΠΚΜ) κατά την περίοδο 2010-2023 και τα συνδέσαμε με κλιματικά χαρακτηριστικά. Η ΠΚΜ στη Βόρεια Ελλάδα κατέγραψε τον υψηλότερο ανθρώπινων κρουσμάτων ΙΔΝ στην Ελλάδα, παρά τις σημαντικές τοπικές ενέργειες καταπολέμησης των κουνουπιών που λαμβάνουν χώρα. Συνδυάσαμε εντομολογικά και διαθέσιμα επιδημιολογικά και κλιματικά δεδομένα για την ΠΚΜ, συγκεντρωμένα σε επίπεδο δήμου και χρησιμοποιήσαμε τον τοπικό και παγκόσμιο δείκτη Moran's I για να αξιολογήσουμε τις χωρικές συσχετίσεις των επιπέδων κουνουπιών, των επιπέδων μολυσμένων κουνουπιών και των ανθρώπινων κρουσμάτων. Εντοπίσαμε περιοχές με ισχυρές αλληλεξαρτήσεις μεταξύ όμορων δήμων στο Δυτικό τμήμα της περιοχής. Επιπλέον, χρησιμοποιήσαμε ένα Γενικευμένο Γραμμικό Μικτό Μοντέλο για να εντοπίσουμε αρχικά τους παράγοντες που επηρεάζουν τα παρατηρούμενα επίπεδα κουνουπιών, μολυσμένων κουνουπιών και ανθρώπινων κρουσμάτων και στη συνέχεια, να εκτιμήσουμε την επίδραση των κλιματικών χαρακτηριστικών στα παρατηρούμενα επίπεδα. Αυτή η προσέγγιση μοντελοποίησης δείχνει μια ισχυρή εξάρτηση των επιπέδων των κουνουπιών από τις θερμοκρασίες το χειμώνα και την άνοιξη και τη συνολική βροχόπτωση στις αρχές της άνοιξης, ενώ η κυκλοφορία του ιού βασίζεται στις θερμοκρασίες του τέλους της άνοιξης και του καλοκαιριού. Τα ευρήματά μας υπογραμμίζουν τη σημαντική επίδραση των κλιματικών παραγόντων στους πληθυσμούς κουνουπιών (υπεύθυνων για ~60% της μεταβλητότητας) και τη συχνότητα των ανθρώπινων κρουσμάτων ΙΔΝ (~40% της μεταβλητότητας), ενώ το ανεξήγητο 40% της διακύμανσης υποδηλώνει ότι στοχευμένες παρεμβάσεις και ενισχυμένη επιτήρηση σε εντοπισμένα «hot-spots» μπορούν να επωφελήσουν τη δημόσια υγεία. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται ανασκόπηση όλων των ευρημάτων της παρούσης διδακτορικής διατριβής ώστε να καταστεί σαφής η συμβολή της στη συνολική προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας για τη διασφάλιση της δημόσιας υγείας.