Published June 16, 2023 | Version v1
Publication Open

Multipatch stochastic epidemic model for the dynamics of a tick-borne disease

  • 1. University of Malawi
  • 2. Old Dominion University
  • 3. University of KwaZulu-Natal
  • 4. University of Johannesburg

Description

Spatial heterogeneity and migration of hosts and ticks have an impact on the spread, extinction and persistence of tick-borne diseases. In this paper, we investigate the impact of between-patch migration of white-tailed deer and lone star ticks on the dynamics of a tick-borne disease with regard to disease extinction and persistence using a system of Itô stochastic differential equations model. It is shown that the disease-free equilibrium exists and is unique. The general formula for computing the basic reproduction number for all patches is derived. We show that for patches in isolation, the basic reproduction number is equal to the largest patch reproduction number and for connected patches it lies between the minimum and maximum of the patch reproduction numbers. Numerical simulations for a two-patch deterministic and stochastic differential equation models are performed to illustrate the dynamics of the disease for varying migration rates. Our results show that the probability of eliminating or minimizing the disease in both patches is high when there is no migration unlike when it is present. The results imply that the probability of disease extinction can be increased if deer and tick movement are controlled or even prohibited especially when there is an outbreak in one or both patches since movement can introduce a disease in an area that was initially disease-free. Thus, screening of infectives in protected areas such as deer farms, private game parks or reserves, etc. before they migrate to other areas can be one of the intervention strategies for controlling and preventing disease spread.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يؤثر عدم التجانس المكاني وهجرة المضيفين والقراد على انتشار الأمراض المنقولة بالقراد وانقراضها واستمرارها. في هذه الورقة، نبحث في تأثير الهجرة بين بقع الغزلان ذات الذيل الأبيض والقراد النجمي الوحيد على ديناميكيات المرض الذي ينقله القراد فيما يتعلق بانقراض المرض واستمراره باستخدام نظام نموذج المعادلات التفاضلية العشوائية في إيتو. تبين أن التوازن الخالي من الأمراض موجود وفريد من نوعه. يتم اشتقاق الصيغة العامة لحساب رقم الاستنساخ الأساسي لجميع الرقع. نوضح أنه بالنسبة للرقع المعزولة، فإن رقم الاستنساخ الأساسي يساوي أكبر رقم لاستنساخ الرقعة وبالنسبة للرقع المتصلة، فإنه يقع بين الحد الأدنى والحد الأقصى لأرقام استنساخ الرقعة. يتم إجراء عمليات المحاكاة العددية لنماذج المعادلة التفاضلية الحتمية والعشوائية ثنائية الرقعة لتوضيح ديناميكيات المرض لمعدلات الهجرة المتفاوتة. تظهر نتائجنا أن احتمال القضاء على المرض أو التقليل منه في كلا الرقعتين مرتفع عندما لا تكون هناك هجرة على عكس وقت وجوده. تشير النتائج إلى أنه يمكن زيادة احتمال انقراض المرض إذا تم التحكم في حركة الغزلان والقراد أو حتى حظرها خاصة عندما يكون هناك تفشي في أحد الرقع أو كليهما لأن الحركة يمكن أن تسبب مرضًا في منطقة كانت خالية من الأمراض في البداية. وبالتالي، فإن فحص العدوى في المناطق المحمية مثل مزارع الغزلان أو حدائق الألعاب الخاصة أو المحميات، وما إلى ذلك قبل هجرتها إلى مناطق أخرى يمكن أن يكون أحد استراتيجيات التدخل للسيطرة على انتشار المرض والوقاية منه.

Translated Description (French)

L'hétérogénéité spatiale et la migration des hôtes et des tiques ont un impact sur la propagation, l'extinction et la persistance des maladies transmises par les tiques. Dans cet article, nous étudions l'impact de la migration entre les parcelles des cerfs de Virginie et des tiques solitaires sur la dynamique d'une maladie transmise par les tiques en ce qui concerne l'extinction et la persistance de la maladie en utilisant un système de modèle d'équations différentielles stochastiques Itô. Il est démontré que l'équilibre sans maladie existe et est unique. La formule générale de calcul du numéro de reproduction de base pour tous les patchs est dérivée. Nous montrons que pour les patchs isolés, le nombre de reproduction de base est égal au plus grand nombre de reproductions de patchs et pour les patchs connectés, il se situe entre le minimum et le maximum des nombres de reproductions de patchs. Des simulations numériques pour des modèles d'équations différentielles déterministes et stochastiques à deux zones sont effectuées pour illustrer la dynamique de la maladie pour des taux de migration variables. Nos résultats montrent que la probabilité d'éliminer ou de minimiser la maladie dans les deux patchs est élevée lorsqu'il n'y a pas de migration contrairement à quand elle est présente. Les résultats impliquent que la probabilité d'extinction de la maladie peut être augmentée si les mouvements des cerfs et des tiques sont contrôlés ou même interdits, en particulier lorsqu'il y a une épidémie dans l'une ou les deux parcelles, car les mouvements peuvent introduire une maladie dans une zone initialement exempte de maladie. Ainsi, le dépistage des agents infectieux dans les zones protégées telles que les fermes d'élevage de cerfs, les parcs à gibier privés ou les réserves, etc. avant qu'ils ne migrent vers d'autres zones peut être l'une des stratégies d'intervention pour contrôler et prévenir la propagation de la maladie.

Translated Description (Spanish)

La heterogeneidad espacial y la migración de huéspedes y garrapatas tienen un impacto en la propagación, extinción y persistencia de las enfermedades transmitidas por garrapatas. En este artículo, investigamos el impacto de la migración entre parches de ciervos de cola blanca y garrapatas de estrellas solitarias en la dinámica de una enfermedad transmitida por garrapatas con respecto a la extinción y persistencia de la enfermedad utilizando un sistema de modelo de ecuaciones diferenciales estocásticas de Itô. Se demuestra que el equilibrio libre de enfermedad existe y es único. Se deriva la fórmula general para calcular el número de reproducción básico para todos los parches. Mostramos que para los parches aislados, el número de reproducción básico es igual al número de reproducción de parches más grande y para los parches conectados se encuentra entre el mínimo y el máximo de los números de reproducción de parches. Se realizan simulaciones numéricas para modelos de ecuaciones diferenciales deterministas y estocásticas de dos parches para ilustrar la dinámica de la enfermedad para tasas de migración variables. Nuestros resultados muestran que la probabilidad de eliminar o minimizar la enfermedad en ambos parches es alta cuando no hay migración a diferencia de cuando está presente. Los resultados implican que la probabilidad de extinción de la enfermedad puede aumentar si el movimiento de ciervos y garrapatas está controlado o incluso prohibido, especialmente cuando hay un brote en uno o ambos parches, ya que el movimiento puede introducir una enfermedad en un área que inicialmente estaba libre de la enfermedad. Por lo tanto, la detección de infecciones en áreas protegidas como granjas de ciervos, parques de caza privados o reservas, etc. antes de que migren a otras áreas puede ser una de las estrategias de intervención para controlar y prevenir la propagación de enfermedades.

Files

pdf.pdf

Files (816.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e8e9411c1933299bd2bb6b98c46efb7b
816.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نموذج الوباء العشوائي متعدد التصحيح لديناميكيات المرض الذي ينقله القراد
Translated title (French)
Multiplier le modèle épidémique stochastique pour la dynamique d'une maladie transmise par les tiques
Translated title (Spanish)
Modelo de epidemia estocástica multiparche para la dinámica de una enfermedad transmitida por garrapatas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4380877848
DOI
10.3389/fams.2023.1122410

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Malawi

References

  • https://openalex.org/W1500921805
  • https://openalex.org/W1537236879
  • https://openalex.org/W160921241
  • https://openalex.org/W1989733110
  • https://openalex.org/W1991258950
  • https://openalex.org/W2007310547
  • https://openalex.org/W2014926519
  • https://openalex.org/W2018651775
  • https://openalex.org/W2021721159
  • https://openalex.org/W2038445597
  • https://openalex.org/W2044508366
  • https://openalex.org/W2045967620
  • https://openalex.org/W2054808150
  • https://openalex.org/W2057166175
  • https://openalex.org/W2065756823
  • https://openalex.org/W207440351
  • https://openalex.org/W2078426401
  • https://openalex.org/W2082459458
  • https://openalex.org/W2107219351
  • https://openalex.org/W2112680994
  • https://openalex.org/W2118605173
  • https://openalex.org/W2131045169
  • https://openalex.org/W2140330056
  • https://openalex.org/W2332788889
  • https://openalex.org/W2546505240
  • https://openalex.org/W2593505765
  • https://openalex.org/W2617457756
  • https://openalex.org/W2734769805
  • https://openalex.org/W4206805614
  • https://openalex.org/W4210469797
  • https://openalex.org/W4231021340
  • https://openalex.org/W4231622148
  • https://openalex.org/W4239975174