流行病暴發(fā)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)是近年才出現(xiàn)的研究領(lǐng)域

在歷史的大部分時(shí)期，人類面對(duì)大規(guī)模流行病時(shí)總是束手無策。由于缺乏藥物和疫苗，傳染病一次次席卷全世界，奪走了大量的生命。直到1796年，才有第一支疫苗投入測(cè)試；直到20世紀(jì)90年代，針對(duì)新病原體的系統(tǒng)性的疫苗開發(fā)和治療才成為可能。盡管醫(yī)學(xué)發(fā)展進(jìn)步巨大，我們也只是對(duì)少數(shù)病原體開發(fā)出了有效的疫苗。因此，降低傳染率和基于隔離的措施仍然是衛(wèi)生系統(tǒng)對(duì)抗新病原體的主要工具。為了讓疫苗、治療和隔離措施的組合手段生效，我們需要預(yù)測(cè)何時(shí)何地將出現(xiàn)下一次病原體暴發(fā)，從而讓當(dāng)?shù)匦l(wèi)生機(jī)構(gòu)優(yōu)化部署可用資源。

關(guān)于流行病暴發(fā)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)是近期才出現(xiàn)的研究領(lǐng)域。其發(fā)展基礎(chǔ)來自20世紀(jì)80年代的傳染病模型框架和2003年非典型性肺炎大暴發(fā)。后者確定了全球疫情的報(bào)告準(zhǔn)則。隨后出現(xiàn)的與流行病相關(guān)的可用數(shù)據(jù)為建模提供了實(shí)時(shí)輸入。這些技術(shù)進(jìn)展首次派上用場(chǎng)是在2009年H1N1甲型流感暴發(fā)期間——第一次實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)了該流行病的傳播。

新病原體的出現(xiàn)總是伴隨著幾個(gè)關(guān)鍵問題:

病原體從哪里起源？

新發(fā)病例會(huì)出現(xiàn)在哪里？

流行病什么時(shí)候會(huì)到達(dá)各個(gè)人口稠密地區(qū)？

預(yù)計(jì)有多少人會(huì)被感染？

該如何減緩其傳播進(jìn)程？

如何能消滅它？

如今，這些問題都可以通過強(qiáng)大的流行病仿真工具來回答。仿真工具使用人口學(xué)信息、移動(dòng)信息和流行病學(xué)數(shù)據(jù)作為輸入。從隨機(jī)種群模型到基于代理人的計(jì)算機(jī)仿真(可建模百萬個(gè)體的行為和交互)，都是這些工具背后的算法。在這一節(jié)中，我們將概述這些工具的用途，指出網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在這些技術(shù)發(fā)展中的作用。

實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)

流行病預(yù)測(cè)旨在預(yù)判病原體的實(shí)時(shí)傳播，即預(yù)測(cè)每個(gè)主要城市的每周受感染人數(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)科學(xué)的流行病實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的首個(gè)成功案例，并且得益于全球疾病傳播和移動(dòng)(Global Epidemic and Mobility，簡(jiǎn)稱GLEAM)計(jì)算模型，這一隨機(jī)框架將全世界范圍的高精度人口數(shù)據(jù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)作為輸入，采用了基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模型:

GLEAM將每個(gè)地理位置映射為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)全球交通數(shù)據(jù)(例如航線時(shí)刻表)，用節(jié)點(diǎn)之間的傳輸表示鏈接。

GLEAM使用基于網(wǎng)絡(luò)的方法估算流行病參數(shù)，例如傳播率和再生數(shù)。它基于歷年全球范圍流行病的傳播數(shù)據(jù)，而非醫(yī)學(xué)報(bào)告。

建模2009年H1N1甲型流感傳播：(a)H1N1甲型流感病毒在2009年暴發(fā)期早期的傳播。箭頭表示首個(gè)感染者到達(dá)之前未被感染的國(guó)家。顏色表示病毒到達(dá)的時(shí)間。(b)GLEAM的計(jì)算模型流程圖，用于預(yù)測(cè)H1N1甲型流感病毒和埃博拉病毒等病原體的實(shí)時(shí)傳播。左欄(輸入)表示輸入的數(shù)據(jù)庫，包括人口學(xué)信息、移動(dòng)信息和流行病學(xué)信息；中欄(模型)描述了每一時(shí)間步建模的基于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)過程；右欄(輸出)是模型能預(yù)測(cè)的物理量的示例。

GLEAM實(shí)現(xiàn)了9.3節(jié)中描述的基于網(wǎng)絡(luò)的流行病框架，給出未來數(shù)月內(nèi)病原體在全球傳播的多種可能的結(jié)果。對(duì)于H1N1甲型流感，我們將該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與48個(gè)國(guó)家在疫情全階段從監(jiān)測(cè)和病毒學(xué)來源與收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，有如下幾點(diǎn)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn):

高峰期

高峰期是指某個(gè)國(guó)家病原體感染人數(shù)最多的一個(gè)星期。對(duì)高峰期的預(yù)測(cè)可以幫助衛(wèi)生官員決定分配疫苗或治療手段的時(shí)間和數(shù)量。高峰期與首個(gè)病例到達(dá)的時(shí)間，以及每個(gè)國(guó)家的人口學(xué)特征和移動(dòng)行為特征等有關(guān)。在87%的國(guó)家中，觀測(cè)到的高峰期均在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)。剩下的國(guó)家中，觀測(cè)的高峰期和預(yù)測(cè)的高峰期最多相差兩星期。

早到的高峰期

GLEAM預(yù)測(cè)H1N1型流感的高峰期將出現(xiàn)在11月，而不是1月或2月——流感類病毒的常規(guī)高峰期。這個(gè)意外的預(yù)測(cè)結(jié)果后來被證實(shí)是正確的，進(jìn)一步證明了模型的預(yù)測(cè)能力。高峰期提前是因?yàn)镠1N1甲型流感原發(fā)地在墨西哥，而不像其它很多流感那樣原發(fā)于南非，因此病毒到達(dá)北半球的時(shí)間提前了。

接種疫苗的影響

一些國(guó)家實(shí)施了疫苗接種運(yùn)動(dòng)來控制這次的疫情。仿真結(jié)果表明，這些大規(guī)模疫苗接種運(yùn)動(dòng)對(duì)這次流行病傳染過程的影響幾乎可以忽略不計(jì)。原因在于，疫苗接種運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是根據(jù)1月高峰期預(yù)估推算的，因此都在2009年11月之后進(jìn)行。而此時(shí)已經(jīng)過了高峰期，很難有好的效果。

H1N1甲型流感活動(dòng)高峰期：多個(gè)國(guó)家中H1N1甲型流感病毒預(yù)測(cè)和觀測(cè)的活動(dòng)高峰期。高峰期是指病原體感染人數(shù)最多的一個(gè)星期，以距離流行病開始的星期數(shù)標(biāo)識(shí)。模型通過分析2000次暴發(fā)的隨機(jī)實(shí)現(xiàn)來預(yù)測(cè)，并生成了圖中的誤差線。

假設(shè)分析

通過考慮各種遏制、減緩措施的時(shí)間和性質(zhì)，仿真可以估計(jì)各種應(yīng)急方案的效果。接下來我們將討論兩種此類干預(yù)措施的影響。

旅行限制

由于航空旅行在病原體傳播中扮演了重要角色，當(dāng)我們面臨埃博拉病毒這樣的危險(xiǎn)流行病時(shí)，直覺上的首選方案就是限制旅行。然而在當(dāng)今世界，航空運(yùn)輸有關(guān)鍵的作用，禁止航空旅行會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)崩。因此在實(shí)施航空禁令之前，我們必須確認(rèn)限制旅行確實(shí)有助于控制疫情。其中一個(gè)很重要的認(rèn)識(shí)是，“意識(shí)到病毒暴發(fā)”這件事本身就會(huì)減少旅行。例如，2009年5月，H1N1甲型流感暴發(fā)期間，進(jìn)出墨西哥的人流量下降了40%——人們?nèi)∠嗽谑芨腥镜貐^(qū)進(jìn)行的非必要商務(wù)和休閑活動(dòng)。

致死率約80%的埃博拉病毒是人類已知最致命的病毒之一。它于1976年在扎伊爾首先被發(fā)現(xiàn)，312名感染者中有280名死于出血熱(兼有高燒和出血的癥狀)。接觸已感染個(gè)體唾液或分泌物可傳播這一病毒。

模型指出，這減少的40%使世界上各個(gè)國(guó)家的首個(gè)病例到達(dá)時(shí)間推遲了不超過3天。我們進(jìn)一步認(rèn)為，即使減少90%的旅行，高峰期的推遲也不會(huì)多于20天。

減少旅行如何影響H1N1甲型流感病毒從墨西哥到各個(gè)國(guó)家的到達(dá)時(shí)間(相對(duì)于不減少旅行的參考情況)?？v軸的百分比表示全世界范圍內(nèi)減少旅行的比例。在減少90%旅行的情況下，最長(zhǎng)的延遲不超過20天。

最重要的是，旅行限制并不會(huì)減少受感染人數(shù)，而只能延遲疫情暴發(fā)，讓當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)有更多的時(shí)間準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)流行病。因此，只有當(dāng)旅行限制所導(dǎo)致的延遲能夠幫助提高當(dāng)?shù)匾呙缃臃N水平或改善治療手段時(shí)，旅行限制才是有效的。

抗病毒治療

在2009年H1N1甲型流感傳播時(shí)期，加拿大、德國(guó)、中國(guó)香港、日本、英國(guó)和美國(guó)都分發(fā)了抗病毒藥物，來減輕這一傳染病的影響。這不禁使人發(fā)問：如果有藥物儲(chǔ)備的真實(shí)驗(yàn)表明，高峰期會(huì)推遲3至4星期，從而使人們有更多的時(shí)間，讓全部人口中更大比例的人在疫情達(dá)到高峰之前獲得免疫。

《巴拉巴西網(wǎng)絡(luò)科學(xué)》，[美]艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西著，沈華偉 黃俊銘/譯，湛廬文化/河南科學(xué)技術(shù)出版社，2020年2月