Американские и австралийские ученые выяснили, что риск возникновения серьезной пандемии гриппа возрастает не во время ежегодного сезонного гриппа, а после него, с запаздыванием приблизительно на 42 дня. Это происходит благодаря приобретению гетеросубтипического иммунитета, который на некоторое время защищает популяцию от пандемии.
Ученые создали стохастическую модель, объясняющую такой «рефрактерный» период, и важным параметром ее оказалась неоднородность социальной структуры популяций. Исследование опубликовано в PLOS Computational Biology.
Грипп — острое инфекционное заболевание дыхательных путей, вызываемое вирусом гриппа. Он относится к ортомиксовирусам — РНК-содержащим вирусам размером 80-120 нм со спиральным капсидом и восемью фрагментами РНК. Грипп входит в группу острых респираторных вирусных инфекций. Словом «грипп» часто называют любое острое респираторное заболевание (ОРВИ), что ошибочно — помимо гриппа, на данный момент известно более 200 видов других респираторных вирусов (аденовирусы, риновирусы и другие).
Известно более 2000 вариантов вируса гриппа, различающихся между собой антигенным спектром. Антигенные свойства внутренних белков вириона (M1 и NP) определяют принадлежность вируса гриппа к роду А, В или С. Дальнейшее деление проводится согласно подтипам (серотипам) поверхностных белков гемагглютинина (HA) и нейраминидазы (NA). В настоящее время известно 18 подтипов HA и 11 подтипов NA. По оценкам ВОЗ, от разных серотипов гриппа в мире ежегодно умирают от 250 до 500 тысяч человек (большинство из них старше 65 лет), а в некоторые годы число таких смертей достигает миллиона.
С 1889 года в северном полушарии было зарегистрировано шесть случаев пандемии гриппа. Используя данные по мониторингу сезонных вспышек гриппа в США, ученые показали, что каждая из пандемий происходила после завершения этапа сезонного гриппа. Это наблюдение было неожиданным, поскольку более логично было бы предположить развитие пандемии не после, а во время сезонного гриппа, когда вирусов в популяции много, и постоянно возникают новые их реассортанты (когда два похожих вируса поражают одну и ту же клетку, они могут обмениваться генетическим материалом. Реассортация вируса гриппа происходит благодаря наличию у него восьми отдельных разных сегментов РНК. Эти сегменты выступают как хромосомы, и, когда происходит сборка частицы вируса гриппа, в состав ее включается одна копия каждого сегмента, неважно, откуда именно он пришел — из первого исходного вируса или из второго. В результате геном новых вирусных частиц представляет из себя весь возможный набор из шестнадцати исходных фрагментов РНК).
Известно, что сезонный грипп вызывает временное или даже стабильное повышение гетеросубтипического иммунитета. Например, заражение одним из родов гриппа вызывает повышение иммунитета ко всем или к некоторым его серотипам. Полностью механизмы возникновения иммунитета такого типа еще не изучены. Оказалось, что появление гетеросубтипического иммунитета в сезон гриппа ведет к появлению некоторого «рефрактерного периода» популяции, в течение которого риск пандемии мал. Вспышки пандемии чаще всего наступают после окончания этого периода, или в самом его «хвосте», причем случайность этого совпадения весьма маловероятна (p-value < 0.05).
Пандемии гриппа в разные годы (пунктирная линия) и сезонные периоды гриппа в популяции (серые линии)
Spencer J. Fox et al / PLOS Computational Biology
Чтобы сопоставить данные по сезонным вспышкам гриппа и возникновению пандемий, ученые воспользовались стохастической моделью с двухфазным переходом. «Пациенты» сначала заражались одним типом гриппа и приобретали иммунитет как к нему, так и к широкому спектру других типов. Затем могло происходить второе заражение (другим вирусом), когда иммунитет достаточно ослабевал и организм становился восприимчив к новому типу гриппа. Второй тип потенциально вызывал пандемию (пандемией считалось заражение по крайней мере пяти процентов популяции).
В этой модели учитывался сезонный фактор — зависящий, например, от влажности воздуха и школьного расписания, и принималось во внимание разное потенциальное количество «соседей» у разных пациентов, которые могут заразиться от них. Симуляцию проводили с помощью стохастического алгоритма «следующей реакции» Gillespie, разработанного на платформе библиотеки EpiFire для С++.
Ученые работали с данными по сезонному гриппу 2008-2009 годов. Помимо эмпирической модели, они также воспользовались и гомогенной моделью (примерно соответствующей простой модели закона действующих масс). Характерной особенностью и основным недостатком второй модели (которой чаще всего пользуются при анализе эпидемиологических процессов) было то, что все пациенты в ней имели одинаковое число контактов с другими индивидами, тогда как в реальности это не соответствует истине.
Схема заражения людей в популяции согласно эмпирической и гомогенной моделям
Spencer J. Fox et al / PLOS Computational Biology
Результаты симуляции свидетельствовали о том, что гетеросубтипический иммунитет защищает популяцию от угрозы пандемии в течение приблизительно 42 дней, что, по словам ученых, соответствует обобщенным данным о работе иммунных клеток человеческого организма. При этом увеличение рефрактерного периода может вести к полному исключению возможности возникновения пандемии. Риск возникновения пандемии в эмпирической модели в начале рефрактерного периода снижен на 73%, а в гомогенной — всего лишь на 62%, что свидетельствует о возможной переоценке пандемических рисков в это время, возникающей в ходе обычных расчетов, не принимающих во внимание социальную структуру популяции. Затем (ближе к зиме), иммунитет популяции становится более восприимчив к вирусам, при этом социальные и климатические факторы повышают шансы людей на заражение друг от друга, и риск пандемии значительно увеличивается.Ученые полагают, что данная работа позволяет точнее предсказывать возникновение новых случаев пандемий.
