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数学家在缓解寨卡病毒中起关键作用

这些图像令人心碎:成千上万的婴儿出生时头部畸形,这是罕见的神经系统疾病(称为小头畸形)的结果,这种疾病可导致无数的智力和发育障碍。罪魁祸首?寨卡病毒(Zika)是一种由蚊子传播的病毒,已席卷南美许多地区,最近又在佛罗里达州浮出水面。

不过,新生儿并不是Zika唯一的受害者。

染上寨卡病毒的成年男性和女性也有可能患上使人衰弱甚至危及生命的疾病。寨卡病毒正在挑战现代医学,并引起人们对该病毒传播的严重关切,包括在今年的夏季奥运会上。

这不是携带寨卡病毒的蚊子(A. aegypti)首次威胁到公众健康。作为多种病毒的传播者(或媒介),蚊子物种导致了登革热,基孔肯雅热和黄热病的爆发。20世纪初,诺贝尔奖获得者,英国医生罗纳德·罗斯爵士开始使用方程式确定疟疾的传播动态。从那时起,包括美国国家科学基金会(NSF)资助的研究人员在内的研究人员就一直使用数学模型来跟踪和防治媒介传播的疾病。

其中一位研究员是数学家麦克·海曼(Mac Hyman),他从事与媒介传播疾病相关的研究超过15年。Hyman目前正在与其他科学家合作开发一种模型,该模型将至少在研究人员开发Zika疫苗之前追踪如何与细菌对抗埃及伊蚊。

杜兰大学由国家科学基金会资助的研究员海曼说:“我们正在基于一种用沃尔巴氏菌感染蚊子的模型来建立一种新的控制机制。”海曼说,他也获得了美国国立卫生研究院(NIH)的资助。“这一想法是在埃及伊蚊中造成沃尔巴赫氏菌流行,因此它们传播病毒的能力较弱。沃尔巴氏菌已经在25-75%的昆虫种群中自然发生,但在埃及伊蚊中却没有。在这种情况下感染蚊子。细菌会降低它们产卵的能力,并使它们的寿命缩短一两天。”

听起来可能并不多,但是蚊子只能存活大约两个星期。由于携带疾病的蚊子需要一周的时间才能传染,因此大多数携带寨卡病毒的蚊子仅在生命的最后几天才具有传染性。甚至将其寿命缩短几天也可能对其传播Zika的能力产生重大影响。

致力于缓解流行病的数学家(例如Zika)经常与流行病学家,公共卫生专家,昆虫学家和其他研究人员合作,开发适当的模型来模拟如何最好地解决公共卫生危机。Hyman的模型旨在展示将注入细菌的蚊子释放到寨卡病毒感染地区的预期和非预期的后果。

这种方法的挑战之一是设计一种方案,该方案可以维持一种新的细菌感染的蚊子种群,该种群能够取代野外携带病毒的种群。海曼(Hyman)解释说,如果您仅将少量细菌感染的蚊子引入野生种群,感染就会迅速消失。

他说:“当我们第一次这样做时,我们的分析预测我们将需要至少40%的野生蚊子被感染,然后才能建立一种“阈值条件”,使细菌能够在更广泛的人群中占有一席之地。”

那是海曼转向虚拟世界的时候。

虚拟世界中的蚊子

Hyman和他的博士后Ling Xue在计算机上创建了一个虚拟世界,在那里他首先通过喷洒和杀死大多数野生蚊子来减少野生种群。然后,他释放了感染了Wolbachia细菌的蚊子,看它们是否会建立地方性种群。没用 新孵化的蚊子没有被感染,一旦被细菌感染的种群降至维持该种群所需的40%阈值以下,感染就会消失。

Hyman确定要维持他的细菌感染的蚊子种群,在释放蚊子之前,他们需要杀死携带Zika的野生种群的卵和幼虫以及成虫。

Hyman说:“事后看来,这种解决方案是显而易见的,但是我们没有意识到在模拟我们的第一个虚拟世界实验时,考虑蚊子的整个生命周期有多么重要。” “这是在计算机上运行实验的优势之一。我们可以在模型中找出有效的方法和无效的方法,以帮助指导该领域的缓解工作。”

海曼很快就意识到这不是一个永久性的解决方案。取而代之的是,它通过降低埃及伊蚊传播Zika以及其他疾病(如基孔肯雅热和登革热)的能力来赢得时间,直到可以研制出疫苗为止。(他还指出,尚未有携带沃尔巴氏菌的蚊子被释放到野外,以驱逐携带寨卡病毒的蚊子。)

海曼说:“我们目前最好的缓解措施是基于控制蚊子(杀虫剂)并减少人们被蚊子叮咬(驱蚊剂)的可能性。针对这些疾病进行测试的疫苗将在少数国家提供年份。在此之前,这种方法有可能减慢蚊子传播感染的能力。”

研究水库

即使科学家们争先恐后迅速解决诸如寨卡病毒(Zika)疫情之类的意外危机,他们也从丰富而悠久的基础研究资源中汲取了丰富的基础知识,包括解剖学,生物学,流行病学,数学模型,以寻找解决方案。从这个水库中抽水的能力需要数十年甚至几百年的时间才能填满,这使他们能够更快,更自信地应对当今时代的挑战。

这就是为什么NSF继续支持广泛科学领域的基础研究的原因之一,海曼(Hyman)承认这是成功的必要条件:“在出现Zika,Ebola或Zika之前,NSF已经资助了数学流行病模型的开发和分析。他说,这项研究为应对新出现的疾病所需的数学模型奠定了基础,如果我们等到Zika等威胁首次出现时就等着激发我们的数学引擎,那么我们将需要等待数年。之前我们没有一个可靠的模型来了解这种病毒的去向。但是由于NSF数十年来一直在为这种基础研究提供资金,因此社区已经准备好迅速做出反应。”

NSF数学科学部计划主任Mary Ann Horn表示同意,并说合作至关重要。

霍恩说:“通过数学建模和分析,我们可以了解疾病的传播和控制,而这些数据可能无法通过收集涉及感染者的数据立即清除。” “数学家和生物学家之间的合作使我们的理解得到了更快的发展。该项目是与美国国立普通医学科学研究所共同资助的,不仅可能影响人们对寨卡病毒的理解,而且还会影响其他疾病。”

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