A stochastic model of malaria transmission

Abstract

Malaria models have evolved since Ross and Macdonald. By using an agent-based stochastic model we have looked into di erent aspects of disease transmission: 1. Gametocytemia phase transition between epidemic stability and disease elimination, and the potential bene t of combining gametocidal agents and ivermectin. 2. Heterogeneity promotes disease spreading. 3. Disease supression from the combined use of ivermectin and primaquine. 4. Utility of Hurst exponent and Shannon entropy in malaria forecasting. Results and conclusion: Malaria transmission was simulated with a computational agent-based model assuming a small African village. We have con rmed gametocytemia as a critical factor in disease transmission, revealing an abrupt phase transition between epidemic stability and disease elimination [326]. We have also found that synergism between gametocidal agents (primaquine) and ivermectin (a selective Anophelocide drug a ecting parasite maturation after mosquito infection) could e ectively suppress human-to-mosquito disease transmission [326]. We have found that heterogeneity ampli es disease transmission (roughly three times in our model). Different aspects of heterogeneity were analyzed such as human migration, mosquito density, and rainfall [327]. We have con rmed the potential bene t of suppressing heterogeneity-induced disease transmission with the use of gametocidal agents and ivermectin. Hurst exponent has been used in hydrology and in the stock market. No previous evidence of its application to infectious theory has been found. Yet, our data suggests that Hurst exponent and information entropy could be useful in malaria forecasting [328]. Our results support the combined use of gametocidal agents (primaquine or methylene blue) and ivermectin as part of an integrated approach to malaria.

Os modelos de malária são úteis desde Ross e Macdonald. Através de um modelo estocástico de agente, foram analisados vários aspectos da transmissão da malária: 1. A existência de uma transição de fase entre estabilidade e eliminação da doença em função da gametocitemia. 2. O uso combinado de fármacos gametocidas e ivermectina na redução da transmissão. 3. O papel da heterogeneidadena propagação da malária. 4. A utilidade do expoente de Hurst e da entropia de Shannon na previão da malária. Resultados e conclusões: Foi utilizado um modelo computacional de agente com simulação da transmissão de malária numa pequena aldeia africana. Confirmámos a gametocitemia como um factor crítico na propagação da malária demonstrando uma transição abrupta de fase entre estabilidade epidémica e eliminação da doença. No nosso modelo foi demonstrado que na presença de heterogeneidade a transmissão de malária pode sofrer uma amplificação significativa, de aproximadamente três vezes. Foram analisados diferentes aspectos da heterogeneidade tais como a migração humana, a densidade vectorial e a precipitação sazonal. Foi confirmado o potencial benefício de supressão da transmissão da malária na presença de heterogeneidade com a utilização de fármacos gametocidas (primaquina) e ivermectina. O expoente de Hurst tem sido aplicado com sucesso nas áreas da hidrologia e do mercado bolsista. Não houve até agora evidência da sua aplicação à área da infecciologia. No entanto, os dados apresentados sugerem a sua utilidade, a par da entropia de Shannon, na previsão da incidência da malária. Foi demonstrado que o uso combinado de agentes gametocidas (primaquina ou azul de metileno) e ivermectina pode constituir uma abordagem eficaz na prevenção da malária