Domov
Novinky
Projekt
Archív ?lánkov
Optimalizácia
Návody
Galéria
Stiahnite si
Odkazy
Diskusné fórum
Fórum - archív
Vyhľadávanie
TO-DO
Kontakt

BOINC.SK


Od 1.1.2002


Astronomický
snímok
dňa

APOD






Page Rank
 
 
Ako fungujú modely a čo je malária ?

Malariacontrol.net


Simulačné modely dynamiky prenosu malárie a jej vplyvu na zdravie sú dôležitým nástrojom
na reguláciu jej šírenia. Sú využívané na určenie optimálnych stratégií pre dodávku sietí na komáre,
chemoterapie alebo nových vakcín, ktoré sa v súčasnosti vyvíjajú a testujú. Takéto modely sú však
extrémne náročné na výpočtový výkon, vyžadujú simuláciu obrovskej populácie s rôznymi parametrami
a sociálnymi faktormi, ktoré ovplyvňujú šírenie ochorenia.
Švajčiarsky tropický inštitút ( The Swiss Tropical Institute - STI ), vyvinul počitačový model
pre epidemiológiu malárie a zapojil doň asi 40 PC, ktoré vykonávali predbežné výpočty. Na potvrdenie
týchto modelov je však potrebný podstatne väčší výkon, aby dostatočne simuloval celý rozsah zásahov
a spôsobov prenosu ochorenia, ktoré sú podstatné pre reguláciu malárie v Afrike.
To je dôvod, prečo bol projekt http://www.malariacontrol.net/ vytvorený, t.j. aby spojil dostupnú
voľnú kapacitu počítačov tisícov dobrovoľníkov z celého sveta, ktorá by pomohla vedcom predpovedať
a teda aj kontrolovať šírenie malárie. Predpokladá sa, že aplikácia v priebehu rádovo mesiacov,
použijúc tisíce PC, prinesie výsledky, ktoré by využitím len počítačov vedcov, boli k dispozícii
v horizonte desiatok rokov.
Množstvo týchto PC bude hlavne z rozvinutého sveta. Ale napr. cieľom projektu AFRICA@home,
je zapojiť do vývoja aplikácií aj africké inštitúcie.

Ako MalariaControl.net funguje ?

Matematické modely sú dôležitým rozhodovacím nástrojom pre reguláciu infekčných chorôb
a malária bola prvou chorobou, na ktorú boli aplikované. V devätnástom storočí, bol priekopníkom
v modeloch týkajúcich sa malárie Ronald Ross, ktorý videl význam matematickej analýzy v plánovaní
regulácie malárie a vyvinul prvý matematický model pre maláriu. Pravdepodobný dopad intervencií
na reguláciu malárie bol odvodený z výsledkov klinických testov, hoci sa jednalo len o krátkodobé
experimenty. Niekoľko porovnávacích analýz potenciálneho vplyvu rôznych stratégií na reguláciu
malárie viedlo k nevyhnutným dlhodobým účinkom.
Sprievodné neurčitosti sťažili optimalizáciu stratégií na reguláciu malárie alebo na vytýčenie
priorít výskumu.

Podmienky pre účinok zásahov prediktívneho modelu.

Popis jednotlivých infekcií spôsobených Plasmodium falciparum.

Použitie modelu na predikciu intervenčných stratégií musí zahŕňať patričnú charakteristiku
priebehu jednotlivých infekcií.

Krátkodobý vplyv na jednotlivcov.

Medikácia a vakcinácia majú dôsledky, ktoré sú oveľa komplexnejšie, ako účinok na primárne
infekcie v neimúnnom hostiteľovi. Ak je cieľom vakcíny redukovať silu infekcie, krátkodobé dôsledky
na riziko morbidity a mortality nie sú úmerné redukcii infekčného tlaku.

Dlhodobé individuálne vplyvy.

Zavedenie sieťok na hmyz bolo sprevádzané početnými debatami ohľadom ich účinku
z dlhodobého hľadiska. Súvisiace závery vznikli s ohľadom na použitie vakcín. Dlhodobé výsledky
vakcinačných programov sú ťažko predikovateľné, pretože terénne testy vakcín vykonané dávnejšie,
berú do úvahy iba výsledky, ktoré sú merateľné počas 6 až 18 mesačných periód, ktoré nasledujú
po sebe. Bohužial, dlhodobé dôsledky vakcinačného programu, nemôžu byť jednoducho získané
z výsledkov týchto testov. Napr., niektoré benefity vakcinácie vyžadujú dlhší čas, aby ich bolo možné
validovať. Je to hlavne v prípade, keď ide o prirodzený vzostup alebo keď je to dôsledkom javu
prenosovej dynamiky. Teda vakcinácia može viesť iba k oddialeniu morbidity a mortality u niektorých
jedincov, a práve v tomto prípade terénne testy môžu predznamenať väčší benefit, ako bude neskôr
pozorovaný počas implementácie a rozvoja vakcinačných programov.

Vzájomná prepojenosť hostiteľov.

Každý epidemiologický model musí vziať pri vyhodnocovaní jeho účinnosti v úvahu aj vzájomnú
prepojenosť skúmaných javov u každého z jedincov. Zásahy v terénnych testoch sú všeobecne navrhnuté
tak, aby priamo chránili každého pred infekciou alebo pred konzekventnou morbiditou a mortalitou,
ale nezvažujú širší vplyv na prenos choroby. Vzájomná závislosť sa stala jadrom pre najbližšie modely.

Štruktúra modelov malárie v projekte MalariaControl.net

STI vyvinul nové modely, aby vznikli kvantitatívne predpovede potenciálneho vplyvu vakcinácie
proti Plasmodium falciparum ( P.f.).
Hlavným prvkom týchto modelov je stochastická simulácia epidemiológie P.f., ktorá integruje
pohľad z hostiteľských modelov, ale je implementovaná nezávisle od nich. Tento epidemiologický
model bol použitý na simuláciu výsledkov z nedávno ukončených testov vakcíny RTS, S/AS02, ktorá
bola podaná dospelým mužom v Gambii a deťom vo veku 1 až 5 rokov v Mozambiku.
Model bol tiež použitý na predikciu potenciálneho epidemiologického dopadu tejto vakcíny,
ako aj na analýzu efektivity nákladov. Aby bolo možné spočítať tieto predpovede, začlenili sme
do modelu výdavky a tiež model zdravotníckeho systému, ktorý je uplatňovený v kontexte nízko-
príjmových rozpočtov, najmä na základe dát z Tanzánie.
STI tiež dosiahol pokrok v hostiteľskej dynamike malárie. Táto práca dopĺňa skoršie hostiteľské
modely, aby poskytla pohľad na modelovanie vakcinácie, ktorá bude ďalej nutná pre epidemiologické
modely. Hostiteľské modely boli prispôsobené na dáta z terapie pacientov a viedli k záverom, že sú
čiastočne relevantné pre modelovanie pri použití vakcín, ktoré účinkujú na asexuálne štádiá v krvi.
Dôležité je najmä to, že epidemiologický model zväzuje dokopy súbor prepojených submodelov,
ktoré sú validované na základe aktuálnych terénnych dát po celej Afrike. Berúc do úvahy komplexný
životný cyklus parazita a medzery v našich vedomostiach, existujú určité limitácie, ktoré ovplyvňujú
celkový výsledok modelov.
V histórii tímu STI, je táto simulácia, založená na populačných dátach, komplexnejšia.
Predstavuje nový nástroj racionálneho plánovania regulácie malárie a vývoja vakcíny, a može byť
ľahko prispôsobená na zistenie účinnosti a efektivity iných zásahov na reguláciu malárie, ktoré
možu byť uplatnené buď samostatne alebo v kombinácii. Takto je možné integrovať epidemiologické
a ekonomické hľadiská, na dosiahnutie racionálnej stratégie redukcie malárie.
Súčasná záťaž morbiditou a mortalitou na maláriu, najmä v subsaharskej Afrike je taká veľká,
že aj zásah, ktorý mení postup infekcie iba u časti príjemcov, bez nejakého efektu na prenos, je veľmi
cenný. Javy týkajúce sa prenosu by nemali byť ignorované, ale sú len jednou časťou modelu, ktorý
zahŕňa tiež autonómne javy.

Stratégia epidemiologických modelov.

Modely musia simulovať procesy, ktoré môžu byť ovplyvnené vakcináciou, tiež musia zachytiť
vzťah medzi týmito procesmi a dôsledkami verejného zdravotníctva. Pre naše modely používame
ako vstupy celoročné prenosové vzory a robíme predikciu následnej intenzity infekcie u ľudí. Neskôr
zvažujeme, ako môže byť tento vzťah zmenený prirodzenou imunitou resp. vakcináciou.
STI vytvorila empirický opis hustôt asexuálnych foriem parazitov pri infekčnom procese hostiteľa,
aby bolo možné vložiť stochastickú predikciu hustôt parazitov, ako funkciu času infekcie,
a modelovať dôsledky imunity na asexuálne štádiá parazitov v krvi, zohľadňujúc tiež zmeny distribúcie
hustôt parazitov u čiastočne imúnneho hostiteľa. Tento model poskytuje priamy základ pre anylýzu
možných dôsledkov vakcín, na asexuálne štádiá parazitov v krvi, čo môže byť simulované funkciou,
ktorá mení hustoty parazitov.
STI analyzuje vzťah medzi hustotami asexuálnych štádií parazitov a infekčnosťou bacilonosiča
pri terapii pacientov, aby odvodila model prenosu parazitov do moskytov. Tento vzťah je využitý
na simuláciu efektu vakcín, ktorý blokuje prenos infekcie. To sa využíva na simuláciu populačného
rozdelenia hustôt parazitov, z čoho sa dá predikovať rozsah luďského infekčného rezervoára P.f.
Dôležitým zjednodušením v stratégii je vyvarovať sa predpovedi pomocných premenných,
ktorým kvantitatívny vzťah s epidemiologickými závermi je veľmi nejasný.

Stochastická simulácia.

STI používa samostatné simulácie s 5-dňovými krokmi, na implementáciu epidemiologických
modelov P.f. Tento prístup umožňuje modelovať populácie hostiteľov a infekcií, z ktorých každá je
charakterizovaná súborom spojitých a statických premenných ( hustoty parazitov, trvanie infekcie,
premenné stavu imunity jednotlivých hostiteľov ). Tento prístup umožňuje realistickejšie poňatie
stochastických interakcií medzi individuálnymi hostiteľmi a patogénmi, ako použitie oddelených
modelov. Nevýhodou je však vyššia náročnosť na počítačový výkon ako u deterministických modelov.
Všetky moduly boli implementované použitím FORTRAN-u.

Naplnenie skutočnými dátami.

Neurčitosť príznačná pre komplexné modely musí byť minimalizovaná tým, že všetky prrvky
modelu musia byť v čo najväčšej konformite s realitou. STI naplnila odlišné zložky modelu možstvom
dát z rôznych ekologických a epidemiologických rámcov. Náš prístup vedie k implicitným štatistickým
modelom, ktoré potrebujú množstvo opakovaných simulácií, aby čo najviac aproximovali odhadnuté
parametre. STI bol schopný naplniť tieto modely dátami použitím simulovaného počiatočného
algoritmu, ktorý distribuoval simulácie cez lokálnu sieť.

Modulárna štruktúra.

Požiadavky výpočtového procesu a komplexnosť plniaceho procesu spôsobili, že nebolo možné
naplniť celý model relevantnými dátami naraz, preto submodely boli naplnené oddelene. Tieto
submodely boli plnené terénnymi dátami, ktoré kvalifikovali vzťah medzi prenosom malárie
a predbežnými výsledkami. Každý nasledujúci submodel bol naplnený v závislosti na odhade
parametrov v predchádzajúcich štádiách prípravného procesu. To nám umožnilo dynamické efekty
v klinických epizódach, čo je dôležité keď sa model používa na predikciu dopadu intervencií.

Rovnice.

V modulárnej štruktúre projektu, sú základné rovnice epidemiologického modelu zoskupené
okolo šiestich hlavných prvkov:
1. infekcia ľudského hostiteľa
2. charakteristika simulovanej infekcie
3. infekčnosť moskytov
4. akútna morbidita
5. mortalita
6. anémia


Čo je to malária ?

Malária je najčastejšie infekčné ochorenie. Je to potenciálne smrteľná choroba, prenášaná
moskytmi. Je rozšírená najmä v tropických a subtropických regiónoch Ameriky, Ázie a Afriky.
Ročne je to asi 500 miliónov chorých, pričom 1 až 3 milióny z nich zomrie, väčšinou deti. Výskyt
je všeobecne v chudobných regiónoch, ale práve malária je súčasne hlavnou prekážkou rozvoja.
Príčinou choroby sú parazitické prvoky z rodu Plasmodium. Iba 4 typy týchto parazitov môžu
infikovať človeka. Najvážnejšiu formu spôsobujú Plasmodium falciparum a Plasmodium vivax.
Človeka však môžu infikovať aj Plasmodium ovale a Plasmodium malariae. Táto skupina parazitov
sa nazýva aj malarické parazity.

Tieto parazity su prenášané samičkou komára rodu Anopheles maculipennis. Parazity sa množia
v červených krvinkách a spôsobujú symptómy ako anémia, bolesti hlavy, zadúšanie, tachykardia,
ako aj všeobecné symptómy ako horúčka, triaška, nausea, prejavy podobné chrípke, či v najťažších
prípadoch kóma a smrť. Prenos malárie môže byť výrazne znížený sieťkami na komáre, repelentmi,
insekticídmi, či odvodom stojatých vôd, kde moskyty kladú vajíčka.

Zatiaľ neexistuje žiadna vakcína, preventívne medikamenty musia byť užívané kontinuálne, aby
redukovali riziko infekcie. Profylaktické lieky sú tiež veľmi nákladné, najmä pre ľudí, ktorí žijú
v endemických oblastiach. Mnoho dospelých z týchto oblastí má dlhotrvajúcu infekciu, ktorá má
tendenciu sa znova objaviť a majú tiež čiastočnú rezistenciu. Rezistencia s časom klesá a takýto
ľudia sa môžu stať veľmi náchylní na ťažkú formu malárie, ak strávili veľa času mimo endemických
oblastí. Odporúča sa im vykonať všetky preventívne opatrenia, ak sa vrátia do endemických oblastí.
Malária sa lieči antimalarikami, ako deriváty chinínu, hoci rezistencia na lieky je pomerne častá.

Malária infikuje ľudí už viac než 50 000 rokov a bola patogénom v celej histórii druhov.
Blízki príbuzní parazitov ľudskej malárie sa vyskytujú u šimpanzov, našich najbližších príbuzných.
Odkazy na opakujúcu sa horúčku sú známe od roku 2700 pred n. l. v Číne. Termín malária pochádza
z taliančiny: mala aria - zlý vzduch.

Vedecké štúdie o malárii urobili pokrok v roku 1880, keď francúzsky vojenský lekár, pracujúci
vo vojenskej nemocnici v Alžírsku, Charles Louis Alphonse Laveran, prvýkrát pozoroval parazity
v červených krvinkách, u ľudí trpiacich na maláriu. Vďaka tomuto a ďalším objavom dostal v roku
1907 Nobelovu cenu. O rok neskôr kubánsky lekár Carlos Finlay poskytol dôkaz, že moskyty
prenášajú chorobu z/na človeka.

Avšak, až Sir Ronald Ross v Kalkate, v roku 1898 dokázal, že malária je prenášaná moskytmi.
Ukázal, že určité druhy moskytov prenášajú maláriu do vtákov a izoloval parazity malárie zo slinných
žliaz moskytov, ktoré cicali krv infikovaných vtákov. Za to dostal Nobelovu cenu v roku 1902.
Objavy Finlayho a Rossa boli neskôr potvrdené Walterom Reedom v roku 1900. Jeho odporúčania
implementované Williamom C. Gorgasom, boli použité pri stavbe Panamského prieplavu.
Táto práca zachránila tisíce robotníkov a pomohla vyvinúť metódy, ktoré boli použité neskôr
vo verejných kampaniach proti tejto chorobe.

Prvým efektívnym liekom na túto chorobu bola kôra chininovníka, ktorá obsahuje chinín.
Tento strom rastie na svahoch Ánd v Peru. Obyvatelia Peru používali tento produkt na liečbu
malárie, Jezuiti to preniesli do Európy okolo roku 1640, kde sa rýchlo rozšílo jeho používanie.
Aktívna zložka - chinín, bola však z kôry extrahovaná až chemikmi Pierrom Josephom Pelletierom
a Josephom Bienaimé Caventouom.

Hoci krvné štádiá parazitov a štádiá v moskytoch v malarickom cykle boli identifikované v 19.
a začiatkom 20. storočia, až v 80-tych rokoch 20. st. bola spozorovaná latentná forma parazitu v pečeni.
Až objav tejto latentnej formy objasnil, prečo ľudia zdanlivo vyliečení, majú stále relapsy ochorenia,
hoci parazit už nebol v ich krvi.

to be continued ...
Vytvoril: Kiwi [18. september 2008 21:21:51] / Upravené: [18. september 2008 21:32:09] / Počet zobrazení: [3330]