Hoeveel mensen moeten een COVID-19-vaccin krijgen om het coronavirus een halt toe te roepen?

Het is al een tijdje duidelijk dat, in ieder geval in de VS, de enige manier om uit de coronavirus pandemie te geraken, zal zijn door vaccinatie. De snelle verspreiding van coronavirusvaccins is in volle gang, maar hoeveel mensen moeten worden gevaccineerd om deze pandemie onder controle te krijgen?

Ik ben een computationeel bioloog die gegevens en computermodellen gebruikt om biologische vragen te beantwoorden aan de Universiteit van Connecticut. Ik heb de COVID-19-epidemie in mijn staat gevolgd met een computermodel om het aantal ziekenhuisopnames in het John Dempsey-ziekenhuis van de Universiteit van Connecticut te helpen voorspellen.

Dit soort computermodel en de onderliggende theorie kan ook worden gebruikt om de vaccinatiegraad te berekenen die nodig is om de keten van overdracht van het coronavirus te doorbreken. Mijn schatting is dat voor de gehele V.S. ruwweg 70% van de bevolking gevaccineerd moet worden om de pandemie te stoppen. Maar variatie in hoe mensen zich in verschillende delen van het land gedragen, alsmede open vragen over de vraag of het vaccin infectie volledig voorkomt of alleen voorkomt dat mensen ziek worden, voegen een zekere mate van onzekerheid toe.

Het afsnijden van de overdracht

Klinische proeven hebben aangetoond dat als iemand eenmaal is ingeënt tegen het coronavirus, hij of zij niet meer ziek zal worden van COVID-19. Een persoon die niet ziek wordt kan nog steeds besmet worden met het coronavirus. Maar laten we ook aannemen dat een gevaccineerde persoon het virus niet kan verspreiden naar anderen, hoewel onderzoekers nog steeds niet weten of dit waar is.

Wanneer genoeg van de bevolking gevaccineerd is, heeft het virus het moeilijk om nieuwe mensen te vinden om te infecteren, en de epidemie begint uit te sterven. En niet iedereen hoeft gevaccineerd te worden, maar genoeg mensen om het virus niet uit de hand te laten lopen. Het aantal mensen dat gevaccineerd moet worden, staat bekend als het kritieke vaccinatieniveau. Zodra een bevolking dat aantal heeft bereikt, krijg je kudde-immuniteit. Van kudde-immuniteit is sprake als er zoveel gevaccineerde mensen zijn dat een besmet persoon bijna niemand kan vinden die besmet zou kunnen raken, en het virus zich dus niet kan verspreiden onder andere mensen.Dit is erg belangrijk om mensen te beschermen die niet gevaccineerd kunnen worden.

Het kritieke vaccinatieniveau hangt af van hoe besmettelijk de ziekte is en hoe effectief het vaccin is. De besmettelijkheid wordt gemeten aan de hand van het basisreproductiegetal – R0 – dat is onder hoeveel mensen een besmette persoon het virus gemiddeld zou verspreiden als er geen beschermende maatregelen zouden zijn.

Hoe besmettelijker een ziekte is, des te groter het aantal mensen dat moet worden gevaccineerd om gehoorde immuniteit te bereiken. Hoe hoger de effectiviteit van het vaccin, hoe minder mensen moeten worden gevaccineerd.

Niet overal hetzelfde

R0-waarden verschillen van plaats tot plaats omdat de bevolking zich anders gedraagt – sociale interacties zijn bijvoorbeeld niet hetzelfde op het platteland en in de stad, of in een warm klimaat in vergelijking met een koud klimaat.

Met behulp van de gegevens over positieve gevallen, ziekenhuisopnames en sterfgevallen schat mijn model dat Connecticut momenteel een R0 van 2,88 heeft, wat betekent dat gemiddeld elke besmette persoon het virus aan 2,88 andere mensen zou doorgeven als er geen bestrijdingsmaatregelen zouden worden genomen. Schattingen op districtsniveau variëren van 1,44 in het landelijke Alpine, Californië tot 4,31 in het stedelijke Hudson, New Jersey.

Maar het vinden van een R0-waarde voor de hele VS is vooral lastig vanwege de diversiteit van klimaten en omdat het virus verschillende gebieden op verschillende tijdstippen heeft getroffen – het gedrag is verre van uniform geweest. De schattingen variëren van 2,47 tot 8,2, hoewel de meeste onderzoekers de R0 voor de gehele V.S. rond de 3 schatten.

Hoewel de R0 varieert per locatie en tussen schattingen, is de effectiviteit van de vaccins constant en welbekend. De vaccins van Pfizer-BioNTech en Moderna zijn respectievelijk 95% en 94,5% effectief in het voorkomen van COVID-19.

Met behulp van de waarden voor de effectiviteit van de vaccins en de R0, kunnen we het kritieke vaccinatieniveau berekenen. Voor Connecticut, met een R0 van 2,88, moet 69% van de bevolking gevaccineerd worden. Voor de hele V.S., met een R0 van 3, zou dit 70% zijn. In New York City, met een geschatte R0 van 4,26 zou dit 80% zijn.

Veel onzekerheid

Hoewel de wiskunde relatief eenvoudig is, wordt het ingewikkeld als je belangrijke vragen in ogenschouw neemt waarop epidemiologen nog geen antwoord hebben.

Ten eerste gaat de formule voor het kritieke vaccinatieniveau ervan uit dat mensen willekeurig op elkaar reageren. Maar in de echte wereld interageren mensen in zeer gestructureerde netwerken, afhankelijk van werk, reizen en sociale connecties. Wanneer die contactpatronen in aanmerking worden genomen, vonden sommige onderzoekers kritische vaccinatieniveaus aanzienlijk lager in vergelijking met de veronderstelling van willekeurige interacties.

Helaas zouden andere onbekenden een tegengesteld effect kunnen hebben.

Vaccinproeven tonen duidelijk aan dat gevaccineerde mensen niet ziek worden van COVID-19. Maar het is nog onbekend of de vaccins voorkomen dat mensen milde infecties oplopen die ze aan anderen kunnen doorgeven. Als gevaccineerde mensen nog steeds besmet kunnen raken en het virus kunnen doorgeven, dan zal vaccinatie geen kudde immuniteit verschaffen – hoewel het nog steeds ernstige ziekte zou voorkomen en het sterftecijfer drastisch zou verminderen.

Een laatste vraag die nog moet worden beantwoord, is hoe lang de immuniteit tegen het coronavirus duurt nadat iemand is gevaccineerd. Als de immuniteit na enkele maanden afneemt, zal elk individu herhaalde vaccinaties nodig hebben.

Het is moeilijk met zekerheid te zeggen hoeveel mensen moeten worden gevaccineerd om een einde te maken aan deze pandemie. Maar toch is de komst van de COVID-19 vaccins het beste nieuws in 2020. Als in 2021 een groot deel van de mensen in de VS het vaccin krijgt, zal het land op weg zijn naar het kritieke vaccinatieniveau – wat dat ook moge zijn – zodat het leven weer normaal kan beginnen te worden.