Modelling outbreak response intervention strategies for decision-making
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: Outbreaks of infectious diseases like measles and COVID-19 continue to threaten public health. Consequently, outbreak response decision-making is in constant need of advancements. Mathematical models of infectious diseases, which provide evidence based insights about pathogen spread and the impact of interventions, form an essential component of outbreak response decision-making. In this dissertation, I make three contributions in that regard. First, I conduct a systematic review of modelling studies, published during 1970-2019, that assessed the impact of reactive interventions on real and hypothetical outbreaks of human vaccine-preventable diseases and foot-and-mouth disease (FMD). I extract data including the author affiliation type (academic institution, governmental, and non-governmental organizations), whether there was an author based in the country studied, impact of vaccination, model characteristics, and modelling practices. I use the author affiliation types to group papers into two collaboration types namely, purely academic (papers with only academic author affiliations) and mixed (all other combinations). I analyse time and geographic patterns and differences in model characteristics and practices overall and between the collaboration types. I find that, in the human disease literature, mixed collaborations increased in the past decade, more often included authors based in the country studied and used more complex modelling practices. These patterns could indicate an increased recognition of modelling by decision makers or increased interaction between modellers and decision-makers. Additionally, I observe some contrasting patterns between the human and FMD literature. Second, I investigate the relative logistical and epidemiological benefits of outside cold chain (OCC) delivery of measles vaccines during an outbreak in a hypothetical setting assuming vaccine cold chain challenges. I extend a transmission dynamic model to incorporate key logistical requirements of several cold chain and OCC strategies. I find that OCC delivery of measles vaccines during outbreaks could lead to shorter campaigns, high vaccination coverage, and higher cases averted. Finally, I show how the emergence of a variant strain affects the minimally sufficient response strategy needed to mitigate the outbreak of a hypothetical pathogen. I develop compartmental models that allow the introduction of more transmissible variants with the ability to escape vaccine-induced immunity. I investigate the impact on outbreak size and peak prevalence targets of implementing either vaccination alone or a combination of vaccination and non-pharmaceutical interventions (NPIs). I show that the use of vaccination alone would require a high vaccination coverage and rapid rollout speed but adding on NPIs could reduce the vaccination coverage and rollout speed required to achieve the targets while also accounting for the risk of variant emergence. In conclusion, this dissertation makes advances that could potentially: (1) initiate discussions on the impact of modelling in outbreak response and the need for increased collaboration between model developers and users, (2) lead to advocacy towards innovations in measles outbreak response vaccination, and (3) contribute to the theory of outbreak response planning, especially in the way uncertainty regarding the potential emergence of a variant is considered in outbreak response decision-making.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Uitbrake van aansteeklike siektes soos masels en COVID-19 bedreig steeds openbare gesondheid. Gevolglik benodig uitbraak-reaksie besluitneming voortdurende vooruitgang. Wiskundige modelle van aansteeklike siektes, wat bewysgebaseerde insigte oor patogeenverspreiding en die impak van ingrypings verskaf, vorm ’n noodsaaklike komponent van uitbraak-reaksie. In hierdie proefskrif lewer ek drie bydraes in hierdie verband. Eerstens hersien ek sistematies eweknie-geevalueerde studies wat gedurende 1970-2019 gepubliseer is oor modelle wat die impak van uitbraak-reaksie ingrypings vir menslike entstof-voorkombare siektes assesseer. Ek onttrek data insluitend die outeuraffiliasietipe (akademiese instelling, regerings- en nie-regeringsorganisasies), of daar ’n outeur was met ’n affiliasie tot die plek wat bestudeer is, impak van inenting, modelkenmerke en modelleringspraktyke. Ek gebruik die outeur-affiliasietipes om studies in twee samewerkingstipes te groepeer: naamlik suiwer akademies (alle outeurs met slegs akademiese affiliasies) en gemengde (alle of twee van die drie outeur-affiliasietipes, of een van laasgenoemde twee). Ek ontleed verskille in modelkenmerke en praktyke oor die algemeen en tussen die samewerkingstipes. Ek vind dat gemengde samewerking in die afgelope dekade toegeneem het, meer dikwels skrywers ingesluit het met ’n affiliasie tot die plek wat bestudeer is en meer komplekse modelle gebruik het. Die toename in gemengde samewerking kan dui op ’n verhoogde erkenning van modellering deur besluitnemers of verhoogde interaksie tussen model ontwikkelaars en gebruikers. Tweedens ondersoek ek hoe om masels inenting te verbeter in omgewings waar dit moeilik is om vinnige en doeltreffende veldtogte te loots as gevolg van beperkings in die entstof koueketting. Ek brei ’n transmissie dinamiese model uit om operasionele prosesse in te sluit om die potensiele relatiewe voordeel van buite koueketting aflewering van masels entstowwe te illustreer. Ek vind dat die gebruik van die masels entstof buite die koueketting kan lei tot korter veldtogte, hoer dekking en meer gevalle wat afgeweer word. Ten slotte wys ek hoe die opkoms van ’n variante stam die minimaal voldoende reaksiestrategie beinvloed wat nodig is om ’n hipotetiese patogeen te beheer. Ek ontwikkel twee twee-stam modelle wat die bekendstelling van meer oordraagbare variante met die vermoe om entstof-gebaseerde immuniteit te ontsnap, moontlik maak. Ek ondersoek die impak van variante opkoms op die minimaal voldoende ingryping strategiee, deur of slegs inenting of ’n kombinasie van inenting en nie-farmaseutiese ingrypings (NPI’s), wat nodig is om ’n gespesifiseerde uitkoms te bereik, te gebruik. Ek wys dat die gebruik van inenting alleen ’n hoe inentingsdekking en vinnige ontplooiingspoed sal vereis, maar die toevoeging van NPI’s kan die inentingsdekking en ontplooiingspoed wat nodig is om gestelde veldtog teikens te bereik verminder, terwyl dit ook rekening hou met die risiko van variante opkoms. Ten slotte maak hierdie proefskrif vordering wat moontlik: (1) besprekings kan inisieer oor die impak van modellering in uitbraak-reaksie en die behoefte aan verhoogde samewerking tussen model ontwikkelaars en gebruikers, (2) kan lei tot voorspraak vir innovasies in masels uitbraak-reaksie inenting, en (3) kan bydra tot die teorie van uitbraakreaksie beplanning, veral in die wyse waarop onsekerheid rakende die potensiele opkoms van ’n variant in ag geneem word in uitbraak-reaksie besluitneming.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Uitbrake van aansteeklike siektes soos masels en COVID-19 bedreig steeds openbare gesondheid. Gevolglik benodig uitbraak-reaksie besluitneming voortdurende vooruitgang. Wiskundige modelle van aansteeklike siektes, wat bewysgebaseerde insigte oor patogeenverspreiding en die impak van ingrypings verskaf, vorm ’n noodsaaklike komponent van uitbraak-reaksie. In hierdie proefskrif lewer ek drie bydraes in hierdie verband. Eerstens hersien ek sistematies eweknie-geevalueerde studies wat gedurende 1970-2019 gepubliseer is oor modelle wat die impak van uitbraak-reaksie ingrypings vir menslike entstof-voorkombare siektes assesseer. Ek onttrek data insluitend die outeuraffiliasietipe (akademiese instelling, regerings- en nie-regeringsorganisasies), of daar ’n outeur was met ’n affiliasie tot die plek wat bestudeer is, impak van inenting, modelkenmerke en modelleringspraktyke. Ek gebruik die outeur-affiliasietipes om studies in twee samewerkingstipes te groepeer: naamlik suiwer akademies (alle outeurs met slegs akademiese affiliasies) en gemengde (alle of twee van die drie outeur-affiliasietipes, of een van laasgenoemde twee). Ek ontleed verskille in modelkenmerke en praktyke oor die algemeen en tussen die samewerkingstipes. Ek vind dat gemengde samewerking in die afgelope dekade toegeneem het, meer dikwels skrywers ingesluit het met ’n affiliasie tot die plek wat bestudeer is en meer komplekse modelle gebruik het. Die toename in gemengde samewerking kan dui op ’n verhoogde erkenning van modellering deur besluitnemers of verhoogde interaksie tussen model ontwikkelaars en gebruikers. Tweedens ondersoek ek hoe om masels inenting te verbeter in omgewings waar dit moeilik is om vinnige en doeltreffende veldtogte te loots as gevolg van beperkings in die entstof koueketting. Ek brei ’n transmissie dinamiese model uit om operasionele prosesse in te sluit om die potensiele relatiewe voordeel van buite koueketting aflewering van masels entstowwe te illustreer. Ek vind dat die gebruik van die masels entstof buite die koueketting kan lei tot korter veldtogte, hoer dekking en meer gevalle wat afgeweer word. Ten slotte wys ek hoe die opkoms van ’n variante stam die minimaal voldoende reaksiestrategie beinvloed wat nodig is om ’n hipotetiese patogeen te beheer. Ek ontwikkel twee twee-stam modelle wat die bekendstelling van meer oordraagbare variante met die vermoe om entstof-gebaseerde immuniteit te ontsnap, moontlik maak. Ek ondersoek die impak van variante opkoms op die minimaal voldoende ingryping strategiee, deur of slegs inenting of ’n kombinasie van inenting en nie-farmaseutiese ingrypings (NPI’s), wat nodig is om ’n gespesifiseerde uitkoms te bereik, te gebruik. Ek wys dat die gebruik van inenting alleen ’n hoe inentingsdekking en vinnige ontplooiingspoed sal vereis, maar die toevoeging van NPI’s kan die inentingsdekking en ontplooiingspoed wat nodig is om gestelde veldtog teikens te bereik verminder, terwyl dit ook rekening hou met die risiko van variante opkoms. Ten slotte maak hierdie proefskrif vordering wat moontlik: (1) besprekings kan inisieer oor die impak van modellering in uitbraak-reaksie en die behoefte aan verhoogde samewerking tussen model ontwikkelaars en gebruikers, (2) kan lei tot voorspraak vir innovasies in masels uitbraak-reaksie inenting, en (3) kan bydra tot die teorie van uitbraakreaksie beplanning, veral in die wyse waarop onsekerheid rakende die potensiele opkoms van ’n variant in ag geneem word in uitbraak-reaksie besluitneming.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.