HIV对Mpox疾病传播影响的数学建模与干预策略研究

本研究针对HIV感染者(PWH)在Mpox疫情中高感染率和高重症率的突出问题，构建了区分HIV感染状态的双群体动力学模型，创新性地引入啮齿动物-人类传播途径，揭示了疾病传播中的反向分岔现象和全局稳定平衡点特性。通过非标准有限差分(NSFD)算法验证，证实降低PWH招募率和阻断动物传人途径是控制疫情的关键，为2022-2024年美国疫情提供了精准预测（预计2027年5月终结，累计35,811例），为WHO两次PHEIC预警下的防控决策提供了理论依据。

　　

Mpox（猴痘）作为一种人畜共患病，近年来从非洲啮齿动物宿主向人类扩散的趋势日益严峻。2022年全球疫情暴发期间，一个引人注目的现象是40%-90%的病例发生在HIV感染者(PWH)群体中，这些患者不仅表现出更严重的坏死性病变，死亡率也显著升高。世界卫生组织(WHO)在2022年和2024年两次将其列为国际关注的公共卫生紧急事件(PHEIC)，刚果民主共和国2024年报告的15,600例病例中就有537例死亡，凸显了该疾病的威胁。现有研究存在明显局限：部分模型假设Mpox感染能终身预防HIV传播，这与临床观察相矛盾；同时缺乏对PWH免疫缺陷特征与Mpox重症化关联的定量分析。

南非威特沃特斯兰德大学等机构的研究人员通过构建包含HIV感染状态的动力学模型，创新性地整合了啮齿动物-人类和人类-人类双重传播途径。研究发现：在无人畜传播场景下，模型呈现反向分岔现象，意味着仅将基本再生数R₀^H控制在1以下不足以消除疫情；当考虑动物传人途径时，若啮齿动物中存在地方性流行，系统会形成全局渐近稳定的内平衡点。通过校准美国2022-2024年疫情数据，证实两种传播途径共存但未形成地方性流行，预测疫情将于2027年5月结束（总病例35,811例）。研究设计的非标准有限差分(NSFD)算法完美保持了连续模型的动力学特性，数值模拟表明针对PWH的隔离/疫苗接种策略和降低PWH招募率能有效控制传播。该成果发表于《Mathematical Biosciences》，为理解免疫缺陷人群的传染病传播规律提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 建立包含S₁(非HIV人群)、S₂(PWH人群)、I_m(中度症状者)、I_s(重症患者)等7个仓室的双群体模型；2) 采用下一代矩阵法计算靶向再生数；3) 基于美国CDC的114周流行病学数据(2022.5-2024.7)进行参数校准；4) 开发保持连续模型定性特征的NSFD离散化算法。

【模型构建】
提出区分HIV感染状态的两群体模型，假设PWH仅发展为重症(I_s)。通过定理3.1证明模型在生物可行域Ω=Ω_h×Ω_r??₊⁵×?₊²上的适定性，其中人类群体规模N_h≤Λ/μ。

【纯人际传播分析】
当忽略动物传人途径时，模型(14)呈现反向分叉特性。通过二次方程A(λ)²+Bλ+C(1-R₀^H)=0分析平衡点存在性，揭示即使R₀^H<1仍需额外控制措施。

【美国疫情拟合】
初始化参数设定：S₂(0)=1,200,000（基于美国PWH人口），S₁(0)=340,334,045（总人口减PWH和首例）。模型准确再现了114周的流行曲线，证实σ=1.56（PWH易感性增强系数）的关键作用。

【NSFD算法】
设计的离散算法保持连续模型的稳定性特征，数值实验显示：降低PWH招募率可使累计病例减少21%，而阻断动物传人途径能降低38%病例。

这项研究首次量化了HIV免疫缺陷对Mpox传播的放大效应，建立了具有反向分叉特性的新型传染病模型。其理论价值在于揭示了PWH群体在疫情传播中的"放大器"作用，实践意义在于为WHO的PHEIC响应提供了精准干预靶点——针对PWH的疫苗接种策略和啮齿动物宿主控制。研究者特别指出，现有关于Mpox感染产生HIV交叉免疫的假设缺乏证据，未来需开展免疫学研究验证。该模型框架可扩展应用于其他免疫缺陷相关的共感染系统，为全球传染病早期预警系统开发奠定基础。