Mathematical approaches to rabies prevention
Abstract
Rabies is a particularly dangerous disease of mammals and humans, characterized by damage to the central nervous system, caused by viruses of the genus Lyssavirus of the family Rhabdoviridae. Almost 59,000 people die from rabies worldwide annually. Monitoring and forecasting an epizootic situation, as well as timely and effective preventive measures, is of great importance in the control of rabies infection. A convenient tool for solving problems of forecasting and risk assessment is mathematical modeling, which allows predicting the course and outcome of the disease at various levels: from molecular to biogeocenotic.
This review presents examples of the use of mathematical models for solving various problems of rabies prevention, including modeling the epizootic process in individual regions, taking into account the influence of various preventive measures on the spread of rabies infection; assessment of the economic efficiency of vaccination programs and the formation of an optimal set of measures for the prevention of rabies.
A relatively new direction is the application of the Bayesian approach in phylogenetic analysis for a deeper understanding of the evolution of the genome and characteristics of the virus, as well as the population dynamics of the pathogen.
Mathematical models are also becoming an auxiliary tool in the development of rabies vaccines in identifying potential targets for new vaccines and determining the effect of different storage conditions on the retention period of the required antigenicity of vaccines.
Thus, the use of mathematical approaches in epizootiology and biotechnology can significantly increase the effectiveness of measures for the prevention of rabies infection.
About the Author
V. A. Lobanova
Russian National Research and Technological Institute of Biological Industry
Russian Federation
Russian Federation
PhD student of the Department of Immunology,
Moscow region
References
1. World Health Organization. WHO Expert Consultation on Rabies: Second report. World Health Organ Tech Rep Ser. 2013;(982). https:// apps.who.int/iris/handle/10665/85346
2. Сидорчук А.А. Современные представления о зоонозах // – Российский вете ринарный журнал. Сельскохозяйственные животные.-2012.— №4.— С. 6–7.
3. Инфекционная патология животных. Руководство в 7 томах. Том II. Бешенство. / А.Я. Самуйленко [и др.];под ред. А.Я. Самуйленко.— М., 2012.— 149 с.
4. Метлин, А.Е. Ситуация по бешенству в различных регионах мира и разработка мероприятий по борьбе с бешенством / А.Е. Метлин [и др.] // Труды федерального центра охраны здоровья животных.- М., 2018.-Т.16: 60 лет ФГБУ «ВНИИЗЖ». - С. 72-94.
5. Эпизоотическая ситуация по бешенству в Российской Федерации за период с 2010 по 2019 г / В.В. Михайлова [и др.] // Кролиководство и звероводство.- 2020.- № 3.- С. 30-34.
6. Ретроспективная оценка реализации долгосрочного прогноза пространственного распространения бешенства в азиатской части России / А.Д. Ботвинкин [и др.] // Проблемы особо опасных инфекций.— 2020.— №2.— С. 13–21. doi: 10.21055/0370-1069-2020-2-13-21
7. Герасимов А.Н. Модели и статистический анализ в эпидемиологии инфекционных заболеваний // Тихоокеанский медицинский журнал.- 2019.- №(3).— С. 80– 83. doi:10.17238/PmJ1609-1175.2019.3.80-83
8. WHO Rabies Modelling Consortium. Zero human deaths from dog-mediated rabies by 2030: perspectives from quantitative and mathematical modelling. Gates Open Res. 2020;3:1564. Published 2020 Mar 4. doi:10.12688/gatesopenres.13074.2
9. Matveeva IN, Klyukina VI, Grin SA, Samuilenko AYa, Bondareva NA, Popova VM, Ivanov IV, Grin AV. Quantitative assessment of glycoprotein in rabies vaccines by enzyme immunoassay. RJPBCS. 2019;10 (2):1359-1363.
10. Guo D, Yin W, Yu H, et al. The role of socioeconomic and climatic factors in the spatio-temporal variation of human rabies in China. BMC Infect Dis. 2018;18(1):526. Published 2018 Oct 22. doi:10.1186/s12879-018-3427-8
11. Pepin KM, Davis AJ, Streicker DG, Fischer JW, VerCauteren KC, Gilbert AT. Predicting spatial spread of rabies in skunk populations using surveillance data reported by the public. PLoS Negl Trop Dis. 2017;11 (7):e0005822. Published 2017 Jul 31. doi:10.1371/journal.pntd.0005822
12. Anderson RM, Jackson, HC, May RM, Smith AM. Population dynamics of fox rabies in Europe. Nature. 1981;289:765– 771. doi:10.1038/289765a0
13. Hampson K, Dushoff J, Bingham J, Brückner G, Ali YH, Dobson A. Synchronous cycles of domestic dog rabies in subSaharan Africa and the impact of control efforts. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104(18):7717- 7722. doi:10.1073/pnas.0609122104
14. Tohma K, Saito M, Demetria CS, et al. Molecular and mathematical modeling analyses of inter-island transmission of rabies into a previously rabies-free island in the Philippines. Infect Genet Evol. 2016;38:22- 28. doi:10.1016/j.meegid.2015.12.001
15. Tian H, Feng Y, Vrancken B, et al. Transmission dynamics of re-emerging rabies in domestic dogs of rural China. PLoS Pathog. 2018;14 (12):e1007392. Published 2018 Dec 6. doi:10.1371/journal.ppat.1007392
16. Kitala PM, McDermott JJ, Coleman PG, Dye C. Comparison of vaccination strategies for the control of dog rabies in Machakos District, Kenya. Epidemiol Infect. 2002;129(1):215-222. doi:10.1017/s0950268802006957
17. Тюлько, Ж.С. Моделирование эпизоотии бешенства в популяциях лисиц при ограниченной экологической емкости биотопов / Ж.С. Тюлько, И.В. Кузьмин // Экология.— 2002.— № 5.— С. 351–357.
18. Baker L, Matthiopoulos J, Müller T, Freuling C, Hampson K. Local rabies transmission and regional spatial coupling in European foxes. PLoS One. 2020;15 (5):e0220592. Published 2020 May 29. doi:10.1371/journal.pone.0220592
19. Escobar LE, Peterson AT, Papeş M, et al. Ecological approaches in veterinary epidemiology: mapping the risk of bat-borne rabies using vegetation indices and nighttime light satellite imagery. Vet Res. 2015;46(1):92. Published 2015 Sep 4. doi:10.1186/s13567-015-0235-7
20. Hunt N, Carroll A, Wilson TP. Spatiotemporal Analysis and Predictive Modeling of Rabies in Tennessee. Journal of Geographic Information System. 2018;10(1):89- 110. Published 2018 Feb 7. doi: 10.4236/jgis.2018.101004
21. McClure KM, Gilbert AT, Chipman RB, Rees EE, Pepin KM. Variation in host home range size decreases rabies vaccination effectiveness by increasing the spatial spread of rabies virus. J Anim Ecol. 2020;89(6):1375-1386. doi:10.1111/1365-2656.13176
22. Huang J, Ruan S, Shu Y, Wu X. Modeling the Transmission Dynamics of Rabies for Dog, Chinese Ferret Badger and Human Interactions in Zhejiang Province, China. Bull Math Biol. 2019;81(4):939-962. doi:10.1007/s11538-018-00537-1
23. Duke JE, Blanton JD, Ivey M, Rupprecht C. Modeling enzootic raccoon rabies from land use patterns - Georgia (USA) 2006- 2010. F1000Res. 2013;2:285. Published 2013 Dec 27. doi:10.12688/f1000research.2- 285.v2
24. Zhang J, Jin Z, Sun GQ, Zhou T, Ruan S. Analysis of rabies in China: transmission dynamics and control. PLoS One. 2011;6 (7):e20891. doi:10.1371/journal.pone.0020891
25. Chen J, Zou L, Jin Z, Ruan S. Modeling the geographic spread of rabies in China. PLoS Negl Trop Dis. 2015;9(5):e0003772. Published 2015 May 28. doi:10.1371/journal.pntd.0003772
26. Huang Y, Li M. Application of a Mathematical Model in Determining the Spread of the Rabies Virus: Simulation Study. JMIR Med Inform. 2020;8(5):e18627. Published 2020 May
27. doi:10.2196/18627 27. Yu J, Xiao H, Yang W, et al. The impact of anthropogenic and environmental factors on human rabies cases in China [published online ahead of print, 2020 Apr 29]. Transbound Emerg Dis. 2020;10.1111/ tbed.13600. doi:10.1111/tbed.13600
28. Weng HY, Wu PI, Yang PC, Tsai YL, Chang CC. A quantitative risk assessment model to evaluate effective border control measures for rabies prevention. Vet Res. 2010;41(1):11. doi:10.1051/vetres/2009059
29. Morgan CN, Wallace RM, Vokaty A, Seetahal JFR, Nakazawa YJ. Risk Modeling of Bat Rabies in the Caribbean Islands. Trop Med Infect Dis. 2020;5(1):35. Published 2020 Mar 1. doi:10.3390/tropicalmed5010035
30. Sanchez JN, Hudgens BR. Vaccination and monitoring strategies for epidemic prevention and detection in the Channel Island fox (Urocyon littoralis). PLoS One. 2020;15 (5):e0232705. Published 2020 May 18. doi:10.1371/journal.pone.0232705
31. Высоцкая, Е.В. Моделирование процедуры демаскировки лис в мероприятиях по элиминации угроз биобезопасности, связанных с бешенством / Е.В. Высоцкая [и др.] // Восточно-Европейский журнал передовых технологий.— 2017.— № 10 (89).— С. 46–54. doi: 10.15587/1729-4061.2017.109868
32. Эпизоотическая ситуация и прогноз по бешенству на территории Владимирской области: информационный бюллетень / А.В. Бельчихина, М.В. Дудорова, М.А. Шибаев, А.О. Оганесян, С.А. Дудников — Владимир: ФГБУ «ВНИИЗЖ», 2012.— 56 с.
33. Шабейкин, А.А. Обзор эпизоотической ситуации по бешенству в Российской Федерации за период с 1991 по 2015 годы / А.А. Шабейкин, О.Н. Зайкова, А.М, Гулюкин // Ветеринария Кубани.— 2016.— № 4.— С. 4–6.
34. Горбенко, П.Г Компьютерная модель эпизоотологии бешенства, обеспечивающая контроль заболеваемости с учетом географических особенностей Cвердловской области / П.Г. Горбенко, А.Д. Алексеев, О.Г. Петрова // Medicus.— 2018.— № 3(21).— С. 10 –15.
35. Шабейкин А.А. Анализ и оценка риска возникновения вспышек природно-очаговых зооантропонозных инфекций с использованием геоинформационных технологий / А.А. Шабейкин, А.М. Гулюкин, В.В. Белименко, М.И. Гулюкин // Гулюкин М.И. Научнообоснованная система противоэпизоотических мероприятий и современные способы диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных болезней домашних животных»: практическое руководство.- Новосибирск., 2019.-С. 68-79.
36. Asamoah JKK, Oduro FT, Bonyah E, Seidu B. Modelling of Rabies Transmission Dynamics Using Optimal Control Analysis. Journal of Applied Mathematics. 2017:1-23. doi:10.1155/2017/2451237
37. Fitzpatrick MC, Shah HA, Pandey A, et al. One Health approach to cost-effective rabies control in India. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016;113 (51):14574-14581. doi:10.1073/pnas.1604975113
38. Bilinski AM, Fitzpatrick MC, Rupprecht CE, Paltiel AD, Galvani AP. Optimal frequency of rabies vaccination campaigns in Sub-Saharan Africa. Proc Biol Sci. 2016;283(1842):20161211. doi:10.1098/rspb.2016.1211
39. Hampson K, Abela-Ridder B, Bharti O, et al. Modelling to inform prophylaxis regimens to prevent human rabies. Vaccine. 2019;37 Suppl 1:A166-A173. doi:10.1016/j.vaccine.2018.11.010
40. Quiambao B, Varghese L, Demarteau N, et al. Health economic assessment of a rabies preexposure prophylaxis program compared with post-exposure prophylaxis alone in high-risk age groups in the Philippines. Int J Infect Dis. 2020;97:38-46. doi:10.1016/j.ijid.2020.05.062
41. Гулюкин, А.М. Экономический ущерб, причиняемый бешенством сельскохозяйственных животных в России / А.М. Гулюкин, Ю.И. Смолянинов, А.А. Шабейкин // Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences.— 2016.— №8(56).— С. 34–38. doi:10.18551/ rjoas.2016-08.06
42. Полещук, Е.М. Итоги изучения антигенного и генетического разнообразия вируса бешенства в популяциях наземных млекопитающих России / Е.М. Полещук, Г.Н. Сидоров, С.В. Грибенча // Вопросы вирусологии.— 2013.— №3.— С. 9 –16.
43. Сравнительная молекулярногенетическая характеристика изолятов вируса бешенства (Rabies lyssavirus, Lyssavirus, Rhabdoviridae), циркулировавших на территории Российской Федерации в период с 1985 по 2016 год. / О.Н. Зайкова [и др.] // Вопросы вирусологии.— 2020. — №65(1).— С. 41–48. doi: 10.36233/0507-4088-2020-65-1-41-48
44. Baele G, Suchard MA, Rambaut A, Lemey P. Emerging Concepts of Data Integration in Pathogen Phylodynamics. Syst Biol. 2017;66(1):e47- e65. doi:10.1093/sysbio/syw054
45. Bourhy H, Nakoune E, Hall M, Nouvellet P, Lepelletier A, Talbi C, et al. (2016) Revealing the Micro-scale Signature of Endemic Zoonotic Disease Transmission in an African Urban Setting. PLoS Pathog 12(4): e1005525. doi:10.1371/journal.ppat.1005525
46. Gill MS, Lemey P, Bennett SN, Biek R, Suchard MA. Understanding Past Population Dynamics: Bayesian Coalescent-Based Modeling with Covariates. Syst Biol. 2016;65(6):1041- 1056. doi:10.1093/sysbio/syw050
47. Volz EM, Didelot X. Modeling the Growth and Decline of Pathogen Effective Population Size Provides Insight into Epidemic Dynamics and Drivers of Antimicrobial Resistance. Syst Biol. 2018;67(4):719-728. doi:10.1093/sysbio/syy007
48. Biek R, Henderson JC, Waller LA, Rupprecht CE, Real LA. A high-resolution genetic signature of demographic and spatial expansion in epizootic rabies virus. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104 (19):7993-7998. doi:10.1073/pnas.0700741104
49. Clenet D, Vinit T, Soulet D, Maillet C, GuinetMorlot F, Saulnier A. Biophysical virus particle specific characterization to sharpen the definition of virus stability. Eur J Pharm Biopharm. 2018;132:62-69. doi:10.1016/j.ejpb.2018.08.006
50. Fernando BG, Yersin CT, José CB, Paola ZS. Predicted 3D Model of the Rabies Virus Glycoprotein Trimer. Biomed Res Int. 2016;2016:1674580. doi:10.1155/2016/1674580
Review
For citations:
Lobanova V.A. Mathematical approaches to rabies prevention. International Journal of Veterinary Medicine. 2021;(1):30-41. (In Russ.)
Views:
345
Email this article 