基于SEIRS动力学模型解析马拉维湖区学龄儿童血吸虫病流行特征：空间暴露与年龄相关免疫的作用

《Scientific Reports》：Development of a dynamical model to enhance understanding of epidemiology of schistosomiasis in school-aged-children

为解决学龄儿童（SAC）血吸虫病年龄-患病率曲线成因不明及空间暴露风险难以量化的问题，研究人员开展了基于SEIRS（易感-潜伏-感染-恢复-易感）动力学模型的流行病学研究。该研究利用马拉维湖南岸的横断面数据，通过最大似然估计优化模型参数，发现学校与湖岸线的距离对SAC血吸虫感染风险无显著影响，而肠道血吸虫病（Biomphalaria sp.）与尿路血吸虫病（Bulinus spp.）的传播模式存在异质性。该模型成功复现了非线性的年龄-患病率曲线，为理解血吸虫病传播动态及优化控制策略提供了新见解。

　　

血吸虫病是一种由血吸虫引起的、经水传播的、被忽视的热带病，严重威胁着全球，特别是非洲地区，学龄儿童（School-Aged-Children, SAC）的健康。学龄儿童是血吸虫病最脆弱的群体，其感染率通常随年龄增长而上升，呈现出特定的年龄-患病率曲线。然而，这种曲线背后的驱动因素尚不完全清楚。是孩子们随着年龄增长接触疫水的机会增多，还是他们体内逐渐建立起的免疫力在发挥作用？此外，学校距离血吸虫中间宿主——钉螺栖息的水体（如马拉维湖岸线）的远近，是否直接决定了孩子们的感染风险？这些问题对于精准实施血吸虫病防控措施至关重要。

为了回答这些问题，来自兰卡斯特大学、利物浦热带医学院等机构的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究。他们开发了一个名为SEIRS（易感-潜伏-感染-恢复-易感）的动力学模型，旨在深入理解马拉维湖南岸学龄儿童血吸虫病的流行病学特征。该模型不仅考虑了血吸虫的传播过程，还特别纳入了年龄相关的免疫因素，以解释观察到的非线性年龄-患病率曲线。

研究人员利用2017年至2019年间在马拉维湖南岸12所学校收集的横断面寄生虫学数据和钉螺分布数据，构建了SEIRS常微分方程模型。该模型将学龄儿童分为易感（S）、潜伏（E）、感染（I）和恢复（R）四个状态，并假设恢复者会因免疫力逐渐减弱而再次变为易感者。感染率被设定为与钉螺丰度呈正比，并随学校与湖岸线距离的增加而呈指数衰减。通过最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation）和L-BFGS-B优化算法，研究人员校准了模型参数，以找到最能复现实际观察到的年龄-患病率曲线的参数值。研究还比较了四种不同的模型设置，以评估学校间传播率的异质性以及空间距离效应的重要性。

研究结果

模型优化与拟合优度

研究比较了四种不同的模型设置，以确定哪种模型能最好地解释数据。对于肠道血吸虫病（Biomphalaria sp.），最佳模型是使用单一传播率（single-β）且不考虑空间效应的模型（AIC=250）。这表明，在研究的学校范围内，肠道血吸虫病的传播率在不同学校间没有显著差异，且学校与湖岸线的距离对感染风险没有显著影响。相反，对于尿路血吸虫病（Bulinus spp.），最佳模型是使用多个独立传播率（multi-β_s）且不考虑空间效应的模型（AIC=248）。这表明，尿路血吸虫病的传播率在不同学校间存在异质性，但同样没有证据表明空间距离是主要决定因素。

参数估计

从最佳拟合模型中，研究人员估计了关键的流行病学参数。对于肠道血吸虫病，潜伏期（从暴露到具有传染性）估计为0.863天，传染期（从具有传染性到恢复）估计为13.6天。对于尿路血吸虫病，潜伏期估计为12.2天，传染期估计为29.7天。这些估计值，特别是潜伏期，与以往文献报道的数值存在差异，研究人员认为这可能是由于模型参数的可识别性问题或数据限制所致。

置信区间分析

尽管尿路血吸虫病的最佳模型支持学校间传播率的异质性，但各学校传播率估计值的置信区间（Confidence Intervals, CI）存在重叠。这意味着，从统计学角度看，没有强有力的证据表明这些学校的传播率确实存在显著差异。因此，虽然多β模型在预测性能上更优，但一个单一的传播率模型可能足以描述数据，这反映了数据中的噪声和不确定性。

敏感性分析

研究人员测试了学龄儿童入学时（6岁）的初始感染率（α）对模型结果的影响。结果表明，当α取不同值时（5%、10%、20%），模型参数估计值变化不大，AIC和均方误差（MSE）得分相似，说明模型对初始条件的设定不敏感。然而，在部分情况下，研究人员观察到参数β和γ之间存在非可识别性问题，即优化器无法唯一确定这两个参数的值，因为它们对似然函数的贡献相互关联。

研究结论与讨论

本研究成功构建了一个SEIRS动力学模型，利用横断面数据复现了马拉维湖南岸学龄儿童血吸虫病的非线性年龄-患病率曲线。研究的主要结论是，在学校与湖岸线距离相对较近的研究区域内，学校与湖岸线的距离对学龄儿童的感染风险没有显著影响。这一发现挑战了“距离越近，风险越高”的直观假设，提示在制定防控策略时，不应仅以地理距离作为唯一的风险指标。

研究还揭示了肠道血吸虫病和尿路血吸虫病在传播模式上的异质性。肠道血吸虫病的传播模式相对均一，而尿路血吸虫病则表现出学校间的异质性。这种差异可能与两种钉螺（Biomphalaria sp. 和 Bulinus spp.）的生态习性、人类接触水体的行为模式或环境因素有关，值得进一步探究。

然而，本研究也存在一些局限性。首先，研究使用的是单一时点的横断面数据，无法捕捉血吸虫病传播的长期动态变化。其次，模型假设钉螺的感染状态与学龄儿童的接触无关，且仅考虑了与湖岸线的距离，忽略了内陆水体（如水塘）的潜在影响。此外，由于数据限制，模型中的部分参数（如免疫力丧失率ω）被固定，这可能会影响参数估计的准确性。

尽管存在这些局限，本研究为理解血吸虫病在学龄儿童中的传播动态提供了宝贵的定量工具。模型结果表明，年龄相关的免疫机制在塑造年龄-患病率曲线中扮演了重要角色。未来，通过开展纵向队列研究，收集更丰富的个体行为、免疫状态和治疗史数据，将能够进一步完善模型，从而为血吸虫病的精准防控和消除策略提供更有力的科学依据。