Large-scale vector-borne disease agent-based model, with application to Chikungunya in Colombia

Abstract

This document presents the development of a large-scale agent-based model to represent vector-borne disease transmission dynamics. Specifically the model represents the transmission of chikungunya in Colombia. Due to their similarities, the model can also be applied to simulate dengue epidemics. The aim of this model is to contribute to the knowledge of chikungunya, to reproduce realistic epidemics, and to quantify the impact of vector control programs to halt the spread of the disease. Chikungunya is a disease transmitted by the \textit{aedes} mosquitoes, particularly \aegypti and \textit{Aedes albopictus}. Chikungunya symptoms are similar to dengue, but it is characterized by acute join-pain that can last for years. In Colombia, the \aegypti is found in larger proportions than the \textit{Aedes albopictus}. The \aegypti mainly obtains its food from humans, hence it is often considered a residential mosquito. The model proposed in this thesis represents humans and mosquitoes. Humans are represented by agents whose health status can be classified in a S-E-I-R structure (Susceptible, Exposed, Infectious, Recovered). Whereas mosquitoes are represented by a homogeneous meta population model with the S-E-I compartments. In the model, the virus transmission occurs in specific locations such as households, workplaces, or schools. In each location, the number of mosquitoes are computed based on temperature and the human density. Mosquitoes and humans can transmit the infection to each other with specific probabilities determined in the model. Transmission occurs when an infectious agent visits a place with susceptible vectors, or when a susceptible agent visits a place with infectious mosquitoes. These visits are determined by each agent's activities that are assigned in a synthetic population, these activities include: household visits, school attendance, work attendance, and travel. A synthetic population was developed to represent a realistic population of Colombia. The synthetic population represents the population of the 1122 municipalities and 33 departments of the country. Additionally, the synthetic population reproduces daily activities for each individual based on the census data. Human mobility was also represented in the model implementing a calibrated gravity model to represent air travel. The model's parameters were calibrated to represent chikungunya dynamics reported in the Riohacha, Guajira. Some of the parameter values were obtained from the literature while others were adjusted using an optimization algorithm. This calibrated model was used to estimate the impact of vector control strategies in the city of Santa Marta, Magdalena. The control parameters in the model were modified to determine improvements to design optimal vector control strategies. Lastly, the model was simulated in a national-scale to evaluate the burden of the chikungunya with and without vector control strategies.

Resumen. En esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo basado en agentes para representar la dinámica de enfermedades transmitidas por vectores. En específico, en Colombia para chikungunya, con posibles aplicaciones para dengue. Con el modelo se busca estimar la carga de casos de chikungunya en el país y evaluar el impacto de control vectorial para controlar su expansión en el país. El chikungunya es una enfermedad transmisible por mosquitos del tipo aedes, en especial aedes aegypti y albopictus. Su sintomatología es similar al dengue, con una diferencia de dolor en las articulaciones que puede prolongarse por años, dependiendo del paciente. En Colombia, el mosquito aegypti se encuentra en mayor proporción que el albopictus. Este es considerado un mosquito residencial, debido a que se alimenta principalmente de humanos, consecuentemente, se encuentra en su mayoria en cercanías a los hogares. El modelo representa estados de salud en humanos, basados en un modelo SEIR (Susceptible-Expuesto-Infectado-Recuperado). Mientras que para mosquitos se basa en la estructura SEI. La transmisión del virus en el modelo ocurre en lugares específicos, tales como, hogares, lugares de trabajo o colegios. Dentro de estos establecimientos, se encuentra un número determinado de mosquitos que depende de la cantidad de humanos y de la temperatura promedio anual. Estos mosquitos pueden infectarse con el virus con una probabilidad de infección determinada en el modelo, para luego transmitirlo a los humanos susceptibles que visitan ese lugar. Por su parte, cada humano tiene asignadas una cantidad de actividades dependiendo de su situación (estudiante, trabajado, ama de casa, etc), estas actividades se realizan con prioridad, mientras que hay una lista extra de actividades opcionales como viajar, visitar a un vecino, etc. De esta manera, los agentes pueden transmitir o infectarse con el virus. Con el objetivo de representar una población cercana a la realidad, hubo la necesidad de desarrollar una población sintética que represente estadísticamente la población de Colombia. Además, que represente las actividades principales de cada agente, e.g. estudiar, trabajar, etc. La población sintética representa los 1122 municipios del país. Además, el modelo requiere de grillas de temperatura que fueron obtenidos de bases de datos de libre acceso. Finalmente, el modelo incluye una estimación de los viajes interdepartamentales, basado en datos de flujo entre aeropuertos del país. El modelo fue sintonizado utilizando reportes de casos de chikungunya del 2014-2015. Usando un municipio como muestra y estimando el desempeño del modelo con municipios no sintonizados. Este modelo sintonizado fue utilizado para evaluar el impacto de las campañas de control en el municipio de Santa Marta (Magdalena), donde se registro un caso exitoso de prevención de la enfermedad utilizando control vectorial. Finalmente, el efecto del control vectorial fue estimado, simulando una epidemia en todo el país con diferentes estrategias vectoriales.