個體水平的病毒動力學對傳染病巨觀疫情的影響研究

《個體水平的病毒動力學對傳染病巨觀疫情的影響研究》是依託西安交通大學，由肖燕妮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：個體水平的病毒動力學對傳染病巨觀疫情的影響研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：肖燕妮
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

傳統的病毒動力學模型雖能刻畫藥物治療的效果、給出病毒是否消除的閾值，但忽略了藥物在體內的代謝過程。 然而，藥物在體內的代謝過程符合藥物動力學特徵，不同的給藥方式（給藥時間、給藥劑量）和病人的依從性對體內藥物濃度的有著重要的影響。本課題針對愛滋病的治療和傳播建立個體內的病毒動力學和藥物動力學的複合模型，研究該一般的脈衝系統的基本再生運算元，研究不同給藥方式對閾值的影響。分析治療的最佳起始時間、耐藥性與治療效果的量化關係。建立傳染病傳播的最優控制模型，最佳化組合防治措施，探明影響巨觀疫情發展的主要因素。在此基礎上建立基於個體的病毒動力學和基於群體的傳染病巨觀感染的耦合模型，研究個體的抗病毒治療對整體疫情、群體水平的防治的影響。分析愛滋病個體的治療數據和巨觀疫情數據，確定模型參數，預測HIV病毒演化或傳染病疫情的發展趨勢，探討防治措施的有效性，為公共衛生部門有效防治傳染病提供定量的決策依據。

結題摘要

同一水平的模型都有成熟的結果，但是如何耦合不同水平的模型是有挑戰性的問題。本項目首先建立了一般高維脈衝傳染病系統的再生運算元的定義和和計算方法，分析了其閾值動力學。 建立了個體內的病毒動力學與藥物動力學的耦合模型，得到了決定病毒能否清除的基本再生數，探明了脈衝式的給藥方案對病毒擬制的影響。建立了具有脈衝免疫效應和多菌株的HIV病毒動力學模型，探討治療的時間、耐藥產生的機制，耐藥水平對治療效果的影響，為愛滋病病人個體的免疫治療設計以恢復免疫重建提供了思路。 數量化控制目標和干預措施，建立了一類最優脈衝控制問題，藉助變分方程給出了目標函式關於控制函式的梯度，套用基於梯度的算法得到了該脈衝系統的最優解。在傳染病控制中引入了一個全新的控制 - 滑動模式控制，即當感染者的數量達到一定的閾值時啟動或加強預防控制措施，得到了一類非光滑（Filippov）傳染病動力學模型。 研究Filippov系統的滑動模式動力學，得到了當疾病不能消除時，感染者的數量能夠穩定在期望水平的最優控制措施。建立耦合個體的病毒動力學和群體的傳播動力學的橋樑，得到了基於感染年齡的PDE模型、基於個體的隨機模擬模型和基於環境中自由生存的病毒/細菌的耦合模型，探討了個體的治療起始時刻、治療效果與群體意義的疫情防治之間的關係，得到了當耐藥後藥效較好（不好）時，治療開始的越早，實際再生數越小（大），累計發生率越低（高），累計因病死亡人數較少（多）。套用上，基於全國HIV的疫情資料庫，得到了HIV感染者和愛滋病病人的空間行動網路。發展網路模型，估計系統參數，研究高危人群的流動對全國疫情的影響，進而評判防治措施的有效性，提出符合實際意義的控制方案。 本項目達到了預期目標，在建立個體內的病毒動力學及其治療的藥物動力學的複合模型，分析一般脈衝系統的閾值動力學，耦合微觀和巨觀的傳染病模型探明個體的抗病毒治療對群體水平的傳染病防治的影響等方面取得了實質性的進展，獲得了一系列的成果，並在生物數學較高水平的國際雜誌上發表。特別是在建立模型刻畫國家重點關注的長潛伏期的傳染病做了一系列實用性強的結論，如HIV感染者和愛滋病患者的流動模式，流動對疫情的影響對於基於地域的醫療資源的最佳化配置提供了思路。