Title: Ein agentenbasiertes Pneumokokken-Epidemiemodell zur Untersuchung von Langzeiteffekten und Impfstrategien
Other Titles: Long term behavior of agent based epidemic simulation of Streptococcus Pneumoniae
Language: Deutsch
Authors: Miksch, Florian
Qualification level: Diploma
Advisor: Breitenecker, Felix
Issue Date: 2009
Number of Pages: 100
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Motivation. Pneumokokken sind Bakterien, die schwere Krankheiten wie Lungenentzündung, Blutvergiftung, Hirnhautentzündung und Mittelohrentzündung verursachen können. Betroffen sind vor allem Kinder und alte Menschen, da deren Immunsysteme häufig nicht stark genug sind, die Erreger abzuwehren. Als Therapie wird Penicillin verwendet, was vor allem in den USA zu weitreichenden Resistenzen geführt hat. Weiters steht ein Impfstoff zur Verfügung, der für Kleinkinder unter 24 Monaten aber unwirksam ist. Im Jahr 2001 brachte der US-Pharmakonzern Wyeth einen neuen Impfstoff, genannt PCV-7, auf den Markt, der auch an Kleinkinder unter 24 Monaten verabreicht werden kann, dessen Nutzen in dieser Arbeit untersucht werden soll.
Ziel. Ziel dieser Arbeit ist zunächst, einerseits ausführliche Datenrecherche zu betreiben, um die Verbreitung von Pneumokokken sowie Ansteckungen, Genesungen und Krankheitsausbrüche detailliert zu erfassen und zu verstehen, andererseits ein agentenbasiertes Epidemiemodell zu entwickeln, mit dem sich die Wirklichkeit möglichst gut abbilden lässt.
Danach sollen verschiedene Impfstrategien auf das Modell angewendet, ihre Langzeitfolgen untersucht und möglichst genau erklärt werden.
Eckdaten zu Pneumokokken und dem PCV-7-Impfstoff. Der springende Punkt ist, dass es insgesamt über 90 Arten von Pneumokokken, die Stämme oder Serotypen genannt werden, gibt, die alle unterschiedlich häufig auftreten, wobei eine Person zu einem Zeitpunkt nur mit maximal einem einzigen Serotyp infiziert sein kann. Der PCV-7 schließt sieben häufige Serotypen ein, die insgesamt etwa 70% aller Träger betreffen. In der Literatur konnten bisher keine vergleichbaren Epidemiemodelle, die sich mit konkurrierenden Krankheitserregern beschäftigen, gefunden werden.
Wesentlich ist, dass ein signifikanter Teil der Bevölkerung infiziert ist, während es nur in Einzelfällen zu Erkrankungen kommt. In der Regel wird der Erreger nach einiger Zeit vom Immunsystem ohne Symptome wieder abgestoßen. Als problematisch erweisen sich Ergebnisse unterschiedlicher klinischer Studien zu Trägerraten und Tragezeiten, die teils drastisch voneinander abweichen. Zusätzlich stehen zuverlässige österreichische Krankenhausdaten aus den Jahren 2001 bis 2007 zur Verfügung, die belegen, dass Kinder und alte Personen wesentlich häufiger erkranken als Jugendliche und Erwachsene unter 65 Jahren.
Genau zu untersuchen sind vor allem zwei in der Literatur sehr umstrittene Effekte. Zum Einen ist dies Herdenimmunität, welche das Phänomen bezeichnet, dass nicht geimpfte Personen durch eine Impfaktion profitieren, indem sie selbst seltener angesteckt werden, da sie nun häufiger auf gesunde Personen treffen. Zum anderen ist dies die Serotypenverschiebung, die bedeutet, dass geimpfte Personen künftig häufiger mit Serotypen angesteckt werden, gegen die sie nicht immun sind, was global ein Aufkommen von schwachen Serotypen, die nicht durch den PCV-7 abgedeckt werden, zur Folge hat.
Struktur des Modells. Das Modell gliedert sich in drei Teile. Im Bevölkerungsmodell werden Agenten mit Alter, Geschlecht und Infektionsstatus definiert. Die Altersverteilung entspricht der österreichischen Bevölkerungsstruktur im Jahr 2007, um die unterschiedlichen altersabhängigen Erkrankungshäufigkeiten darstellen zu können. Im Sozialmodell werden Kontakte zwischen Personen nach verschiedenen Gesichtspunkten, die vereinfachte reale Sozialstrukturen darstellen, simuliert. Im Infektionsmodell werden Ansteckungen berechnet, zu denen es kommen kann, wenn Träger auf andere Personen treffen. Weiters werden Träger wieder gesund, sobald gewisse Voraussetzungen erfüllt sind.
Analyse des Modells. Das Modell liefert nach einigen Verbesserungen sowohl für Simulation einzelner als auch zweier konkurrierender Erreger sehr stabile Ergebnisse. Es zeigt sich, dass sich die Trägerraten auf stabile Niveaus begeben, die von den Modellparametern, aber nicht von den Startwerten abhängen. Gewünschte Situationen, die die Wirklichkeit beschreiben sollen, lassen sich durch Einstellung der Parameter einfach und sehr genau anpassen. Eine Kernaussage ist, dass sich die Trägerraten zweier konkurrierender Erreger anhand der Trägerraten, die sie im konkurrenzlosen Fall einnehmen, abschätzen lassen. Dadurch lassen sich einige auftretende Phänomene gut erklären.
Impfstrategien. Verschiedene Impfstrategien zeigen Rückgänge der Trägerraten von geimpften Personen um 40% bis 60% und von ungeimpften Personen um 1% bis 10%. Der Rückgang der Trägerrate von ungeimpften Personen, auch Herdenimmunität genannt, ist umso stärker, je größer die Streuung bezogen auf das Alter und je höher die Anzahl der geimpften Personen sind. Die Grenzen der Impfung mit einem globalen Rückgang der Träger um 30% werden im Fall aufgezeigt, in dem die durch den PVC-7 abgedeckten Serotypen aussterben. Stärkere Senkungen der Trägerraten sind aufgrund von Serotypenverschiebungen nicht möglich.

Motivation. Streptococcus Pneumoniae is a bacterium that causes several infections like pneumonia, otitis media, meningitis and sepsis.
Mainly young children and old people are endangered to fall sick because of their weak immune system. Standard therapy is penicillin which led to wide resistance especially in the USA. There is a vaccine too that is only usable for children above the age of 24 month and for adults. In 2001 the US company Wyeth developed a new vaccine called PCV-7 which can be used for infants below 24 month as well.
Goal. The purpose of this thesis is to develop an agent based SIS-model that is able to simulate an epidemic like Streptococcus Pneumoniae and analyze vaccination strategies for the PCV-7 vaccination. Also profound data search has to be done to understand the whole system and identify the model parameters as well as possible.
Streptococcus Pneumoniae and vaccination. There are more than 90 different serotypes of Streptococcus Pneumoniae while the PCV-7 vaccination covers 7 of the most frequent ones. A basic rule is that an infected person can be infected by one serotype only at one time so the serotypes are in a competition.
The real system seems to be very complex; additionally many different medical studies report different results. Fact is that a significant part of the population is infected with Streptococcus Pneumoniae while only a few single persons fall sick with it. All the other people get rid of it after a while and do not even realize that they have been infected. Trustable Austrian hospital data of the years 2001 to 2007 reports that young children and old people are at much higher risk to fall sick than other people.
There are two important controversial phenomena that have to be examined in detail. One is herd immunity which means to vaccinate a part of the population while non-vaccinated people benefit from the situation by being infected less frequently. The other phenomenon, serotype replacement, describes the impact that vaccinated people get infected my other serotypes more frequently which ends up in higher carrier rates for non-vaccinated serotypes.
The model. The agent based model consists of three parts: The population part, the social part and the infection part. The agents in this model are single persons with attributes age, gender and infection state. In the population part the population is calculated, people get older and die and babies are born using real life data for Austria from Statistik Austria. For the spread of an epidemic people have to meet each other.
In the social part all connections between people are stored in a list.
These connections are varied every time step by resolving some old and finding new connections using different algorithms. In the infection part a person that is connected to an infected person is tainted with an individual probability depending on the own age and the serotype.
The behavior of the model. After a few adoptions the model behaves very predictable while simulating one pathogen only as well as two competitive pathogens. Depending on infection probability, recovery time and the number of contacts the carrier rates reach, independently of the start values, a constant level. This makes it easy to adjust parameters so that the results correspond with detailed given levels that represent reality. An important proposition is that carrier rates in the competitive model can be roughly predicted by the carrier rates that the single serotypes reach in a non-competive case. This knowledge is important because it allows explaining the behavior of the model in different situations very well.
Vaccination strategies. Different vaccination strategies result in a decrase of carrier rates for vaccinated people of 40% to 60% and for not vaccinated of 1% to 10%. The decrease of carrier rates for not vaccinated people, the herd immunity, is as bigger as larger the number of vaccinated individuals is and as bigger the scatter regarding age of infected people is. The limit of PCV-7-vaccinations is a decrease of carrier rates of 30% for the whole population and can be reached when the PVC-7-serotypes become extinct. Higher benefits are not possible because of serotype replacement.
Keywords: Pneumokokken; Epidemiemodell; Impfstrategien; agentenbasiert
Streptococcus Pneumoniae; vaccination strategies; agent based; epidemic simulation
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-22345
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11185
Library ID: AC05040218
Organisation: E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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