Kuinka monen ihmisen on saatava COVID-19-rokote koronaviruksen pysäyttämiseksi?

On ollut jo jonkin aikaa selvää, että ainakin Yhdysvalloissa ainoa tie ulos koronaviruspandemiasta on rokottaminen. Koronavirusrokotteiden nopea käyttöönotto on käynnissä, mutta kuinka monta ihmistä on rokotettava, jotta pandemia saadaan hallintaan?

Olen laskennallinen biologi, joka käyttää tietoja ja tietokonemalleja biologisiin kysymyksiin vastaamiseksi Connecticutin yliopistossa. Olen seurannut osavaltioni COVID-19-epidemiaa tietokonemallilla, jonka avulla on voitu ennustaa sairaalahoitojen määrää Connecticutin yliopiston John Dempsey -sairaalassa.

Tällaista tietokonemallia ja sen taustalla olevaa teoriaa voidaan käyttää myös laskemaan rokotusmäärät, joita tarvitaan koronaviruksen tartuntaketjun katkaisemiseksi. Arvioni mukaan koko Yhdysvalloissa on rokotettava noin 70 prosenttia väestöstä pandemian pysäyttämiseksi. Epävarmuutta lisäävät kuitenkin vaihtelut siinä, miten ihmiset käyttäytyvät maan eri osissa, sekä avoimet kysymykset siitä, estääkö rokote tartunnan kokonaan vai estääkö se vain ihmisiä sairastumasta.

Tartunnan leviämisen katkaiseminen

Kliiniset kokeet ovat osoittaneet, että kun henkilö on rokotettu koronavirusta vastaan, hän ei sairastu COVID-19:ään. Henkilö, joka ei sairastu, voi silti saada koronavirustartunnan. Oletetaan kuitenkin myös, että rokotettu henkilö ei voi levittää virusta muihin, vaikka tutkijat eivät vieläkään tiedä, pitääkö tämä paikkansa.

Kun tarpeeksi suuri osa väestöstä on rokotettu, viruksen on vaikea löytää uusia ihmisiä tartuttavaksi, ja epidemia alkaa hiipua. Eikä kaikkia tarvitse rokottaa, vaan vain riittävästi ihmisiä, jotta virus ei pääse leviämään hallitsemattomasti. Rokotettavien määrää kutsutaan kriittiseksi rokotustasoksi. Kun väestö saavuttaa tämän määrän, saavutetaan laumaimmuniteetti. Laumaimmuniteetista on kyse silloin, kun rokotettuja ihmisiä on niin paljon, että tartunnan saanut henkilö tuskin löytää ketään, joka voisi saada tartunnan, joten virus ei voi levitä muihin ihmisiin.Tämä on erittäin tärkeää sellaisten ihmisten suojelemiseksi, jotka eivät voi saada rokotusta.

Kriittinen rokotustaso riippuu siitä, kuinka tarttuva tauti on ja kuinka tehokas rokote on. Tarttuvuutta mitataan perusmonistumisluvun – R0 – avulla, joka on se, kuinka monelle ihmiselle tartunnan saanut henkilö levittäisi virusta keskimäärin, jos suojatoimenpiteitä ei olisi käytössä.

Mitä tarttuvampi tauti on, sitä suurempi on niiden ihmisten määrä, jotka on rokotettava kuullun immuniteetin saavuttamiseksi. Mitä suurempi on rokotteen teho, sitä vähemmän ihmisiä on rokotettava.

Ei kaikkialla sama

R0-arvot vaihtelevat eri paikoissa, koska niiden väestöt käyttäytyvät eri tavoin – sosiaalinen vuorovaikutus ei ole samanlaista maaseudulla ja kaupungissa eikä esimerkiksi lämpimässä ilmastossa verrattuna kylmään ilmastoon.

Positiivisia tapauksia, sairaalahoitoja ja kuolemantapauksia koskevien tietojen perusteella mallini arvioi, että Connecticutin R0-arvo on tällä hetkellä 2,88, mikä tarkoittaa, että keskimäärin jokainen tartunnan saanut henkilö tartuttaisi viruksen 2,88 muulle ihmiselle, jos mitään lieventämistoimenpiteitä ei toteutettaisi. Maakuntatason arviot vaihtelevat 1,44:stä Kalifornian Alpinen maaseudulla 4,31:een New Jerseyn Hudsonin kaupungissa.

Mutta R0-arvon löytäminen koko Yhdysvalloille on erityisen hankalaa ilmaston moninaisuuden vuoksi ja siksi, että virus on vaikuttanut eri alueilla eri aikoina – käyttäytyminen ei ole ollut läheskään yhdenmukaista. Arviot vaihtelevat 2,47:stä 8,2:een, vaikka useimmat tutkijat asettavat R0-arvon koko Yhdysvalloille noin 3:ksi.

Mikäli R0-arvo vaihtelee paikkakunnittain ja arvioiden välillä, rokotteiden teho on vakio ja se tunnetaan hyvin. Pfizer-BioNTech- ja Moderna-rokotteet ehkäisevät COVID-19:tä 95-prosenttisesti ja 94,5-prosenttisesti.

Rokotteiden tehokkuuden ja R0:n arvojen avulla voidaan laskea kriittinen rokotustaso. Connecticutissa R0-arvon ollessa 2,88 on rokotettava 69 prosenttia väestöstä. Koko Yhdysvalloissa, kun R0 on 3, tämä olisi 70 prosenttia. New Yorkissa, jossa R0-arvo on arviolta 4,26, tämä olisi 80 prosenttia.

Paljon epävarmuutta

Matematiikka on suhteellisen yksinkertaista, mutta asiat mutkistuvat, kun otetaan huomioon tärkeät kysymykset, joihin epidemiologit eivät vieläkään tiedä vastausta.

Kriittisen rokotustason kaavassa oletetaan ensinnäkin, että ihmiset ovat vuorovaikutuksessa keskenään satunnaisesti. Todellisessa maailmassa ihmiset ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa hyvin strukturoiduissa verkostoissa, jotka riippuvat työstä, matkustamisesta ja sosiaalisista yhteyksistä. Kun nämä kontaktimallit otetaan huomioon, jotkut tutkijat havaitsivat, että kriittiset rokotustasot ovat huomattavasti pienempiä kuin jos oletettaisiin satunnaisia vuorovaikutussuhteita.

Muut tuntemattomat tekijät voivat valitettavasti vaikuttaa päinvastoin.

Rokotetutkimukset osoittavat selvästi, että rokotetut ihmiset eivät sairastu COVID-19:ään. Mutta vielä ei tiedetä, estävätkö rokotteet ihmisiä saamasta lieviä infektioita, joita he voisivat välittää muille. Jos rokotetut ihmiset voivat silti saada tartunnan ja levittää virusta eteenpäin, rokotus ei anna laumaimmuniteettia – vaikka se ehkäisikin vakavia tauteja ja vähentäisi kuolleisuutta huomattavasti.

Viimeinen kysymys, johon ei ole vielä saatu vastausta, on se, kuinka kauan immuniteetti koronavirusta vastaan kestää sen jälkeen, kun henkilö on rokotettu. Jos immuniteetti heikkenee muutaman kuukauden kuluttua, jokainen yksilö tarvitsee toistuvia rokotuksia.

On vaikea sanoa varmuudella, kuinka monta ihmistä on rokotettava, jotta tämä pandemia saataisiin loppumaan. Mutta siitä huolimatta COVID-19-rokotteiden saapuminen on ollut vuoden 2020 paras uutinen. Vuonna 2021, kun suuri osa yhdysvaltalaisista henkilöistä saa rokotteen, maa on menossa kohti kriittistä rokotustasoa – mikä se sitten onkin – jotta elämä voi alkaa palata normaaliksi.