Социалните контакти на човека се променят във времето и влияят върху вълните на COVID-19

Учени от националната лаборатория „Brookhaven“ към Министерството по енергетика на САЩ и Илинойския университет „Urbana-Champaign“ разработват нов математически модел, с който могат да се предскажат следващите вълни на COVID-19. Той залага не само на индивидуалните особености и податливост към заразяване, но отчита също така нивата на социална активност, които се променят по естествен път във времето. С негова помощ екипът открива, че временно придобитият колективен имунитет, наричан още „преходен колективен имунитет“, се изгражда през ранните и много динамични фази на пандемията. Последвалите вълни и скокове в броя на заразените обаче не стават по-малко. Причината е в постоянно променящото се социално поведение на хората. Резултатите от анализа са публикувани в списание „Proceedings of the National Academy of Sciences.“

Пандемията от COVID-19 застигна САЩ в началото на 2020 г. и до месец март вече бе обхванала няколко щата. С цел да ограничи нейното разпространение някои губернатори наложиха забрана за излизане от домовете, затвориха училища и бизнеси и задължиха гражданите да носят предпазни маски. В ключови градове като Ню Йорк Сити и Чикаго първата вълна приключи през юни. За съжаление, през зимата коронавирусът там отново зарази голям брой хора и отне живота на други.

Единственият сигурен начин да се начертае кривата на динамиката в бъдеще е като се открият причините за възникването на първоначалните и следващите вълни.

Недостатъци на класическите изчислителни модели

Създаването на модел би помогнало на учените да прогнозират хода на разпространение на болестта, но класическите прогностични модели са сравнително стари, отпреди почти 100 години, и макар да са надеждни, те не отразяват действителността. Всъщност един от основните им недостатъци е, че не включват контактните мрежи лице в лице и тяхната структура, а именно те служат като канали за разпространението на инфекциозните болести по принцип.

Алексей Ткаченко, физик от групата по теории и изчисления в Центъра за функционални наноматериали, споделя: „Класическите епидемиологични модели обикновено пренебрегват факта, че населението все пак е хетерогенно и се състои от множество, различни пластове, дори във физиологичен и социален аспект. Всеки от нас е податлив в различна степен на инфекция и това се определя от фактори като възраст, предшестващи заболявания и генетична предразположеност. Различаваме се и по социалната си активност. Някои имат повече близки хора, други – не толкова. През различните сезони нивото на социална активност се променя. Хетерогенността на населението, или всички тези индивидуални различия в биологичен и социален аспект, е от съществено значение, тъй като понижава прага за постигане на така наречения стаден имунитет.“

Какво е стаден имунитет?

Стадният имунитет представлява процентът от хора, които трябва да изградят имунитет, за да се сложи край на епидемия/ пандемия.
Според Сергей Маслов, професор и учен в Илинойския университет „Urbana-Champaign“, „стадният имунитет винаги е бил противоречиво понятие.“ От самото начало на COVID-19 пандемията се говори, че той може да бъде придобит сравнително бързо, което ще доведе и до спиране местното разпространение на коронавируса. Ученият не е съгласен с тази теория. Изследването, в което участва, показва, че видимият колективен имунитет, изграден по този начин, е краткотраен.

Преходен колективен имунитет

Нигел Голдънфелд, професор по физика и директор на астробиологичния институт на НАСА за универсална биология към Илинойския университет, добавя: „Липсващата брънка във веригата е фактът, че социалната активност на хората ту се засилва, ту утихва, особено по време на локдаун или други рестриктивни мерки. Ето защо е възможно да ни се струва, че епидемичната вълна отшумява заради наложените ограничения, а всъщност по-податливите или социално активни групи са се заразили колективно и това е довело до създаването на „преходен колективен имунитет. В момента, в който мерките бъдат разхлабени и всички тези хора отново започнат да общуват с близки и приятели, тоест възобновят контактната си мрежа, следва нова вълна. Нещо подобно наблюдавахме при твърде бързата отмяна на рестрикции в някои щати или страни, чиито управляващи погрешно смятаха, че най-лошото е останало зад гърба им.“

Ахмед Елбана, който е професор по инженеринг и управление на околната среда в градовете, забелязва, че преходният колективен имунитет е тясно обвързан с провежданата публична политика.

Според него ограниченията, каквито са носенето на маска и избягването на големи събирания, трябва да останат, докато не бъде достигнат действителният праг на стаден имунитет, придобит чрез масовата ваксинация. Елбана казва още: „Не можем да надхитрим коронавируса, насилвайки изграждането на стаден имунитет чрез масово инфектиране на граждани, защото броят на заразените и на хоспитализираните, които са застрашени от смърт, би бил твърде висок.“

Практическа насоченост на прогностичния модел за динамиката на коронавируса

През изминалата година екипът от института „Brookhaven“ и Илинойския университет реализира няколко проекта за разработване на COVID-19 модели. В началото експертите демонстрираха как ще се развие епидемията на територията на щата Илинойс и в кампуса на самия университет, както и ефекта от рестриктивните мерки върху разпространението на вируса. През май 2020 г. те стартираха проект, който се базира на зависимостта между хетерогенността на населението и начина, по който той се пренася.

До момента са познати няколко метода за онагледяване ефекта от хетерогенността по време на епидемия, но те обикновено приемат разнообразието като константа, която не се променя с времето. Следвайки тяхната логика, то ако вие днес не сте социално активни, няма да бъдете нито утре, нито през следващите седмици или месеци.

Инкубационен период

Основните епидемиологични модели боравят с един параметър за време, наречен инкубационен период. Това е интервалът от време между инфекцията на самия човек и заразяването на други, с които той общува. За COVID-19 продължителността му е около 5 дни. Хората обаче променят социалното си поведение и в зависимост от някои други времеви параметри.

В настоящия анализ учените включват промените в социалните взаимодействия в различните периоди от време и ги прилагат във вече съществуващите епидемиологични модели. За да се опише всяка група с различна степен на податливост от заразяване, е нужен твърде сложен и многомерен модел, който те успяват да опростят до модел само с три фактора и един-единствен параметър, обхващащ биологичните и социалните предпоставки за наличието на хетерогенност.

Коефициент на репродукция в математическите модели

Параметърът се нарича фактор на имунитета и той показва процента, с който би намалял коефициентът на репродукция, ако податливите на инфекция хора бъдат изключени от населението.

Числото на репродукция отговаря на степента на пренасяне на инфекцията. С неговото нарастване нараства и броят на заразените от един инфектиран човек. С цел да изчислят как социалните контакти допринасят за фактора на имунитета, изследователите използват данни от по-стари проучвания върху активното проследяване на човешкото социално поведение и информация за динамиката на коронавируса в Ню Йорк Сити и Чикаго – хоспитализирани пациенти и такива, за които се полагат интензивни грижи, както и смъртните случаи. Например, когато броят на податливите на инфекция хора спадна под 10% в ранната и бързо развиваща се фаза в двата американски града, коефициентът на репродукция също намаля с 40 до 50%, което се равнява на фактор на имунитета между 4 и 5.

Ткаченко смята, че въпреки голямото число на фактора на имунитета, то не е представително, когато става въпрос за дълготраен стаден имунитет. В дългосрочен план учените изчисляват значително по-нисък фактор от около 2 единици, защото фактът, че една вълна на коронавируса е затихнала, не означава, че хората са защитени. Тя може да се завърне отново.

Временният имунитет се придобива само защото хетерогенността на населението не е постоянна величина. Социалният живот на човек се променя с времето. Ако по време на първата вълна например, група хора са се самоизолирали, не са посрещали гости и са поръчвали храна онлайн, в един момент те отново ще започнат да живеят нормално и всяка крачка към възстановяване на социалните им контакти ще увеличава риска от заразяване с коронавирус, на който са изложени.

„Живеем в условия на пандемия вече повече от година. Време е да разберем защо тя се задържа толкова дълго“, казва Маслов. Според него до известна степен именно промените в социалната ни активност обясняват платата и последвалите пикове. Ню Йорк Сити и Чикаго успяха да избегнат лятната вълна на вируса, но не и зимната. Експертът смята, че тя се дължи на два фактора: смяната на сезоните и отслабването на преходния колективен имунитет.

Учените се надяват, че масовата ваксинация ще даде резултат и ще ни пощади от евентуална следваща вълна. Екипът възнамерява да проведе още по-задълбочено проучване върху епидемичната динамика, включвайки така наречените „събития суперразпространители“, на които присъства само един заразен и той предизвиква избухването на ново огнище.