1、H7N9禽流感传播研究 利用动力学方法,靳 祯,山西大学复杂系统研究所,H7N9,甲型H7N9流感病毒是一个亚型甲型流感病毒，通常只在鸟类中传播，也从未感染过人。然而2013年在中国的流行已造成了人类的感染。,此病的传染源推测为：携带H7N9禽流感病毒的禽类及其分泌物或排泄物。传播途径推测为：经呼吸道传播、密切接触感染的禽类及其分泌物或排泄物或经受 病毒污染的水而感染。,背景,禽流感，全名鸟禽类流行性感冒，是由病毒引起的动物传染病，通常感染鸟类、猪、马、海鸟、鲸和人类。禽流感病毒，属于甲型流感病毒，分为高、中、低/非致病性三级。至今发现能直接感染人的禽流感病毒亚型有：H5N1、H7N1、H7N
2、2、H7N3、H7N7、H9N2和H7N9亚型。,禽流感的最早报道可追溯到1878年，Perroncito首次报道了意大利的鸡感染禽流感。1955年证实，引起感染的病原为A型流感病毒。1918-1919西班牙流感，病毒类型为H1N1。 1957-1958亚洲流感 ，病毒类型为H2N2。随后出现了H5N1、H7N3、H3N2、H7N7、H5N2、H5N8、H5N2、H7N1。一直到2013年，中国出现了H7N9型禽流感。,1. 原本为低致病性禽流感病毒株（H5N2、H7N7、H9N2）可经 69个月禽间流行的迅速变异而成为高致病性毒株。2. 2013年出现的H7N9，也是通过H7N3，H9N2，
3、H7N9病毒重组。3. 病毒不断发生变异，不断反复入侵禽类和人类。,病毒,病毒,抗原特征,RNA：含有8个基因片段（PB1,PB2,PA,HA,NP,NA,M,NS）, 决定了外部的血凝素(HA)、神经氨酸酶(NA)、基质蛋白(M)和核蛋(NP)。,病毒入侵宿主细胞的过程：,流感病毒侵染宿主后,病毒表面的血凝素，识别宿主细胞膜上的血凝素受体，并与之结合,利用宿主细胞的资源进行复制和表达，重新组装成新的流感病毒颗粒。,在神经氨酸酶的催化水解下，成熟的病毒颗粒最终脱离宿主细胞，感染新的表皮细胞。,抗原，是能够刺激机体产生（特异性）免疫应答，并能与免疫应答产物抗体在体内外结合，发生免疫效应（特异性反
4、应）物质。 这一系列过程主要是通过抗原内部的抗原决定簇发生反应的。,神经氨酸酶（N1-N11）,血凝素（H1-H18）,称为：抗原决定簇（表位）,抗原决定簇：决定抗原性的特殊化学基因,是免疫应答和免疫反应具有特异性的物质基础。不同的抗原性，将会刺激机体产生不同的免疫应答，将会产生不同的抗体。,病毒：抗原,甲型流感病毒是根据位于血凝素及神经氨酸酶的抗原性分为若干亚型，血凝素（H）有18个亚型；神经氨酸酶（N）有11个亚型。,抗原变异： 1. 抗原漂移（antigenic drift）：指由基因组发生突变导致抗原的小幅度变异（氨基酸序列的改变而改变了血凝素蛋白分子上的抗原位点 ）属于量变，没有质的
5、变化，不产生新的亚型，。 2. 抗原转变（Antigenic shift）：指编码抗原的基因组重排引起的变异幅度大时，产生新的亚型，这种变异为质的改变。,问题1：如果掌握抗原漂移和转变的规律，利用往年流感爆发时间和亚型，能否预测下次流感爆发的时间以及将会出现的亚型。,H7N9禽流感病毒的8个基因片段,Kageyama et al. Genetic analysis of novel avian A(H7N9) influenza viruses isolated from patients in China, February to April 2013. Euro Surveill. 201
6、3;18(15):pii=20453,Chen et al. 等人通过分析基因序列，发现：从H7N9人间病例隔离出的病毒基因与从活禽交易市场中鸡群身上隔离出的病毒基因相似。,Chen, Y. et al. Human infections with the emerging avian influenza A H7N9 virus from wet market poultry: clinical analysis and characterisa-tion of viral genome.Lancet.381, 1916-1925 (2013).,通过以上的基因片段分析得出：1. 活禽交易市
7、场是人间H7N9流感的直接传染源。2. 候鸟、当地野鸟和家禽都参与了H7N9的形成与流行，但是哪个物种为最原始的传染源还不清楚。,问题2：利用现有的信息和数据，能否确定最原始的传染源。,对于2013年流行的H7N9 禽流感病毒, Robert 和 Juergen 指出各领域专家应该从以下几个方面着手研究：1. 原始宿主的确定（the original host species）。2. 从原始宿主到中间宿主的传染方式。3. 病毒的生态学以及在环境中的生存能力。,Kahn, R. E. & Richt, J. A. The Novel H7N9 Influenza A Virus: Its Pre
8、sent Impact and Indeterminate Future.Vector-Borne Zoonot.13, 347-348 (2013),中国病例分布,香港、台湾为输入性病例,中国病例数据以及各地区分布（截止2014年2月20日）,长三角和广东地区采取措施时间表,将长三角地区和广东省的措施以及病例结合起来，见下图,长三角报告病例数,广东报告病例数,关闭交易市场,打开交易市场,长三角地区2013年冬季H7N9再次出现的可能原因： 1. 交易市场的重新打开。 2. 温度的变化。 3. 候鸟的南迁。,广东省H7N9出现的可能原因： 1. 家禽的调运。 2. 候鸟的南迁。,问题3：再次出
9、现的原因，以及扩散的主要因素？从而可以提出相应的防控措施。,模型一：原始传染源的确定,假设：（1）其它物种不会传染原始传染源（原始宿主）原因：1. 物种之间存在物种障碍（host species barrie），限制病毒跨越物种去 传染别的物种。2. 在种间传播的初始阶段，流感病毒一般从原始宿主传染中间宿主。3. 当病毒经过变异和种间传播，更适应于新的宿主，很可能不再适应在原 始宿主体内存活。4. 原始宿主可能有了一定的抗体。,Chen, G.W. & Shih. S.R. Genomic signatures of pandemic (H1N1) 2009 influenza virus.
10、Emerg. Infect. Dis.15, 1897-1903 (2009). Chen, G.W. & Shih. S.R. Avian influenza a virus infection in Humans. Biomed J.37, 1-2 (2014).Thijs Kuiken, et al. Host species barriers to influenza virus infections. Science.312, 394-397 (2006). Wang, L. & Li, K-S. Distrilbution and epidemic of bird influenz
11、a virus in its natural host. J. Med. Postgrad.22, 642-646 (2009),（2）种间传播为环境传播，不存在直接接触传播。原因：候鸟与野鸟、当地野鸟与家禽之间直接接触的几率比较小，但是存在一些共存生存环境，比如：湿地、森林等。（3）候鸟与家禽之间不会发生传染，通过当地野鸟传播禽流感病毒。（4）只有家禽可以将流感传给人类。活禽交易市场是人类传染的直接来源。（5）人与人之间不存在传染。,解决方法：将候鸟、当地野鸟、家禽分别作为原始传染源，利用长三角地区的数据得出不同拟合结果。利用AIC准则找出最优模型和结果，从而确定哪个物种为传染源的可能性最大
12、。,当候鸟为原始传染源时的流程图：,当当地野鸟为原始传染源时的流程图：,当家禽为原始传染源时的流程图：,总的详细流程图：,参数估计,1. 候鸟迁徙参数,候鸟迁徙路线图。全球路线中3,4,5路过中国，分别为东线、中线、西线。,候鸟迁徙时间图,长三角地区,候鸟迁徙,长三角地区候鸟数量模拟,12周内迁移结束：,每年总的迁移数,概率密度函数,长三角地区候鸟迁徙数与总数目随时间的变化图,2. 野鸟出生死亡参数,野鸟出生数目随时间的变化图,环境中病毒衰减率模拟,3. 有关环境中细菌死亡率参数,细菌死亡率随温度的变化,上海温度随时间的变化,细菌死亡率随时间的变化,4. 其他参数,为减少估计的参数，将禽类之间
13、的传染率统一为beta1, 家禽对人的传染率为beta2.,拟合结果比较,候鸟为传染源,野鸟为传染源,家禽为传染源,采取或得出的参数值,Akaikes information criterion（模型一3个拟合结果比较）,Akaikes information criterion (AIC) provides a method for measuring model quality and a way of selecting a model that has the best fit to the actual data from a set of models.,三种情况下的ACI准则：1
14、66.05 171.9301 207.9001,（残差平方和）,（实际数据个数）,（估计参数个数）,改进的AIC准则（考虑到小样本）：,如果人与人之间存在传染,当人与人之间的传染率比较小时，结果变化不大。当人与人之间的传染率比较大时，人间病例将会上千上万。那是实际中，人与人之间的传染率到底有多大，目前还不清楚。,模型二：冬季再次出现的主要影响因素,因解决问题的侧重点不同，将以上的模型简化,流程图,其它参数估计,为减少估计的参数，将候鸟、野鸟之间的传染率统一为beta1, 家禽之间的接触率为beta2, 环境对家禽的传染率为beta3,对人的传染率为beta4.,拟合结果及所取参数值,拟合结果比
15、较(模型二),模型二比模型一拟合结果好：参数估计时，模型二传染率划分的比模型一细，估计的参数比较多。,措施比较,可见，部分家禽的扑杀只有在短期内有一定的效果，长期时间内对流感的控制效果不大。在长期关闭交易市场下（传染率降低55%），可以有效地控制流感的传播，但是还是会出现周期性，在第二年的2,3月份会出现病例的高峰。如果消毒措施能够有效地执行，那么可将病例控制在很低的水平下。,敏感性分析,寻找周期性的关键因素,红线：实际病例。绿线：如果不存在关闭交易市场的情况下的疾病流行情况。可见，即使不存在关闭和重新打开交易市场措施的交替执行，疾病还是会出现周期性。但是可以看出，关闭交易市场可以很有效地控制
16、病例的数目。,关闭交易市场的效果,当长三角地区候鸟的数量为常数，不发生周期性变化（没有迁移）的模拟结果。红线：实际病例。绿线：如果不存在关闭交易市场的情况下的疾病流行情况。可见，此图与前一幅图变化不大。可知，候鸟的周期性迁徙对疾病的到达有一定的影响。但是对于已发地区疾病的流行已没有影响。,候鸟迁徙对疾病的影响,温度的变化对疾病的影响,当长三角地区温度为常数，不发生周期性变化的模拟结果。红线：实际病例。绿线：如果不存在关闭交易市场的情况下的疾病流行情况。紫色：温度为常数，不关闭交易市场。可见，温度变化是流感周期性变化的主要原因。,综上所述，周期性是由温度的变化造成，无法控制。但是，可以通过温度的变化，结合周期性关闭交易市场来对流感进行防控。,参数对累积病例（一年）的敏感性,家禽直接接触传染率，相关系数：0.8509,环境对家禽的传染率，相关系数：0.9461,家禽、环境对人的传染率，相关系数1,消毒率，相关系数-0.8411,扑杀率，相关系数-0.9963,广东地区的模拟和预测（模型二）,问题1的研究 模型：多菌株模型、年龄结构模型或反应扩散模型等。 数据：基因序列。,接下来的工作,问题3的完整 1. 提出在温度周期变化下，如何提出周期性的关闭和打开交易市场措施来进行防控。 2. 2013年冬季传染的主要来源与途径，与上半年有什么区别。,谢谢！,
