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应用生态位模型预测汉坦病毒和禽流感病毒感染风险分布

卫兰  
【摘要】:背景:汉坦病毒(Hantavirus, HV)是一种属于布尼亚病毒科,以啮齿类动物为传播宿主的病毒,它一般引起两种人类疾病:一种是发生于亚洲和欧洲的肾综合征出血热(Hemorrhagic Fever with Renal Syndrome, HFRS),另一种是分布于西半球的汉坦病毒肺综合征(Hantavirus Pulmonary Syndrome, HPS)。人们一般通过接触或吸入被带毒宿主污染的气溶胶而感染汉坦病毒。每一种汉坦病毒都各自以一个或一些相关的啮齿类动物作为其主要的自然储存宿主。在中国引起肾综合征出血热的病毒型别主要是汉滩病毒和汉城病毒两种,其主要宿主动物分别是黑线姬鼠和褐家鼠。在中国大陆地区HFRS已成为一个重要的公共卫生问题,病例数占全世界报告病例的90%。而山东省是我国HFRS最严重的疫区之一。虽然我国数年来已实施了免疫接种等综合的防控措施,但是近年来发病率仍有反弹上升的趋势,而且不断出现新的疫源地。HFRS发病率及地理分布与宿主动物的属种、密度、分布以及感染率有关,而这些又受到自然生境结构的影响,如植被的覆盖和动物宿主洞穴空间等。生境中的环境变化也会增大病毒从受感染的宿主动物传播到人类的风险。关于HPS的研究表明汉坦病毒的出现与天气或气候因素有关,如厄尔尼诺南方涛动现象。中国HFRS的发病率与多种环境因素有关,例如海拔、降水、气温、植被以及土壤类型等。我们之前的研究也表明山东省人群肾综合征出血热发病率的季节变异与降雨、湿度和气温有关。但是与宿主动物感染汉坦病毒的风险及分布密切相关的因素有待进一步研究。 禽流感是一类由甲型流感病毒引起禽类流感样症状的烈性传染病。自从1997年高致病性禽流感(Highly Pathogenic Avian Influenza, HAPI)病毒亚型H5N1第一次在香港成为人群发病和死亡原因后,它就成了一种新发的世界公共卫生问题,并导致无数次家禽和野鸟群间的疾病爆发,严重威胁着人类的健康。世界卫生组织(WHO)最新统计数据显示自2003年至2011年3月15日全球共发生人感染HAPI确诊病例533例,其中315例死亡,病死率高达59.1%。中国HAPI病例为40例,死亡26例,病死率为65%。自从2004年1月起,中国大陆地区家禽、野鸟间发生多起高致病性禽流感疫情,间或病毒超越种群传染至人群。尽管已经采取了很多防控措施,例如焚烧超过14亿的家禽,但全球仍有些一些地区再发生疫情。一些研究表明HAPI疫情与多种因素有关,例如迁徙野鸟,散养的鸭子,养鸭场,当地鹅数量,鸡,水稻田,人口密度等等。也有一些研究报道了其他环境因素对禽流感传播的影响,例如植物物候学和地表反射率等。然而该病毒的传播机制很大程度上还是一个难以理解的“黑箱”。疾病在空间和时间上的传播可以归因于传播媒介、宿主和病原的生境或相关的生态位的交叉重叠。有研究表明媒介传播的疾病例如查加斯病,疟疾,登革和西尼罗病毒的传播都是源于生态的重叠。综上,有必要了解中国高致病性禽流感病毒的宿主动物生态位特征,找出相关的主要危险因素,并预测未来传播风险的分布,为应对未来爆发的防控工作提供科学依据。 目的:①阐明山东省肾综合征出血热疫情的时空分布特征、疫区类型变化情况及流行趋势;确定影响宿主动物感染汉坦病毒发生与流行的主要环境、气象、社会等相关因素;通过建立山东省宿主动物感染汉坦病毒风险生态位模型,预测未来HFRS宿主动物感染HV的风险分布,来增加对感染汉坦病毒宿主动物的生境特点的了解。②描述我国感染高致病性禽流感病毒的家禽、野鸟的生境特点,探讨影响家禽、野鸟感染高致病性禽流感病毒的气候、地理、环境等因素,并预测未来风险分布,为未来疫情暴发的预警工作提供科学依据。 方法:对山东省2002~2007年所有HFRS病例按照其家庭住址进行空间定位,应用时空扫描聚类分析方法(SATSCAN软件)确定山东省乡镇尺度上HFRS发病的高发聚集区。结合生态位模型(Ecologic Niche Model, ENM)与地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术分析中国大陆地区感染高致病性禽流感病毒以及山东省感染汉坦病毒风险与环境气候等多种因素的关系,根据山东省四个监测市县共33个宿主动物感染HV病毒阳性的现场采样点以及全国113个高致病性禽流感疫情爆发点分别建立宿主动物的生态位模型并预测其未来风险分布。 结果:①山东省2002~2007年HFRS的发病率呈下降趋势(03年除外),由按月统计结果来看除了02~03年的春峰高于秋冬峰,04年以后都是秋冬峰略高于春峰,但均以双峰为特点,提示山东省疫区类型属于混合型疫区。全省有病例报告的乡镇数略有下降,高发区的范围也有所减少。乡镇尺度空间聚集性分布结果得知一类聚集区位于鲁中南地区,二三类聚集区不明显,与之前文献研究中的高发区结果相对吻合,即高发区近年来并无大的范围变迁。四个监测点宿主动物监测结果显示四个监测市县均属于家鼠为主的混合型疫区,其中莒南、胶南野鼠所占百分比(黑线姬鼠、大仓鼠等)较章丘和青州多。四个点的鼠密度大小依次是是莒南、胶南、章丘、青州,而每个监测点内都是居民区鼠密度高于野外,可见被捕获的鼠活动的生境还是居民区较多。啮齿类宿主动物的生态位模型结果显示土地覆被、海拔、植被指数对于鼠感染汉坦病毒风险的贡献相对较大,反映其与感染汉坦病毒的宿主动物分布有较大关联。各变量单独反应曲线显示了每个变量与宿主动物感染汉坦病毒概率的非线性关系。所有土地覆被类型中,旱作农田、农田植被混合地与宿主动物感染汉坦病毒有较大关联。海拔在0~180米范围内,宿主动物感染汉坦病毒风险会随着海拔增加而增大,当海拔大于180米时风险就随海拔增加而减小。植被指数,地表夜温以及气温的反应曲线大体趋势相同,即风险先增大到一个峰值后又逐渐减小。在相对湿度达到55%时宿主动物感染汉坦病毒的风最大,当相对湿度为66%时风险减小至最小值后又在相对湿度为71%时达到另一个较小的峰值。10次重复建模得到平均ROC曲线,平均AUC=0.864,标准差为0.074,说明总体预测效果较好。模型预测的09年山东省宿主动物风险分布图显示高风险区域位于鲁中南地区。为了验证模型的准确性,我们叠加09年4个监测点的宿主动物阳性检测结果,结果显示所有阳性点均分布于高、中风险区内,预测准确率较高。同时,应用2004~2007年人群发病数据对模型进行了验证,结果显示病例大多位于中高风险内或附近,说明人群发病地点与预测的风险分布基本一致。②高致病性禽流感的生态位模型结果显示土地覆被类型中主要以封闭阔叶林盐湖滩地、常洪区开放植被、灌溉农田、阔叶针叶林混交林地、旱作农田为高风险区,植被耕地混合地、水体、开放灌疏丛、开放草地等次之。土壤类型的反应曲线显示,所有土壤类型中主要以潮土、南方水稻田、灌淤潮土、绿洲土、山地灌丛草原土、北方水稻土、鲜血水稻土、红壤、褐土9大类与禽流感病毒发生的关系最密切。距交通网路(包括公路铁路等)的距离与高致病性禽流感的发生于有密切关系,在30公里的范围内,距离交通网络越近疫情发生的风险越大。距离农田的距离也影响着高致病性禽流感疫情的发生,大约在40公里的范围内距离农田距离越近,禽流感发生的风险越高。在距离大于50公里以外,距离增大时,风险基本为零了。同理,距水体的距离也直接影响着病毒的在野生水禽及家禽间的传播,距离越大风险越小,直到距离为100~150公里时风险缓慢减小至零。可以推测禽流感病毒沿水体传播,河流湖泊水库等水体中放养鸭、鹅,野生水禽等亦栖息于其中,因而距离越近风险越大。人口密度也与疫情发生有较明显的关系,人口密度在0~5000人/km2范围内风险随着人口密度增大而增大,而在5000~7500人/km2时风险处于稳定状态,在7500人/km2后随着人口密度增加会逐渐减小。即中低密度人口分布地区风险高,高密度及无人口分布区风险低。家禽密度也是禽流感发生的危险因素之一。坡度在10度以内风险随坡度增大而减小,当坡度大于10度时,风险迅速缩小至零左右。这意味着坡度低地区相比坡度高地区风险要大。由海拔的反应曲线可以看出海拔越高,禽流感发生的风险越小。综合地形指数反映的是土壤湿度的间接指标,其反应曲线显示综合地形指数越大,高致病性禽流感病毒传播的风险也越大,直到趋于稳定。归一化植被指数在0~180数值范围内,高致病性禽流感的发生风险会随着归一化植被指数的增大而增大,当归一化植被指数180时,风险即下降。相对湿度对于禽流感影响不是特别大,但是在45%~75%的范围内相对湿度越大,风险越大。此外禽流感的传播风险也会受降雨影响,年降雨量的增大会增加风险,可能原因为降 雨量会影响植被的生长状况从而影响家/野禽及野鸟类的觅食情况,增加动物之间的接触机会从而增大风险。年均气温与禽流感发生有关联,温度在达到25℃时,风险增大到一个峰值,随后下降至0.6左右趋于稳定。 结论:本研究阐明了我国山东省肾综合征出血热疫情的分布特征,分析了疫区类型变化情况及流行趋势。更重要的是,确定了影响宿主动物感染汉坦病毒风险的主要环境、气象、社会等相关因素;通过建立山东省宿主动物感染汉坦病毒的生态位模型,了解了宿主动物的生境特点,并且用人间病例和宿主动物监测数据验证了模型预测的准确性。同时,描述了我国家禽、野鸟高致病性禽流感的生境特点,探讨了影响其感染高致病性禽流感病毒的气候地理环境等因素,预测了未来风险分布。


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