Ile osób musi otrzymać szczepionkę COVID-19, aby powstrzymać koronawirusa?

Już od jakiegoś czasu wiadomo, że przynajmniej w USA jedynym sposobem na wyjście z pandemii koronawirusów będą szczepienia. Trwa szybkie wdrażanie szczepionek przeciwko koronawirusom, ale ilu ludzi musi zostać zaszczepionych, aby kontrolować tę pandemię?

Jestem biologiem obliczeniowym, który wykorzystuje dane i modele komputerowe, aby odpowiedzieć na pytania biologiczne na Uniwersytecie Connecticut. Śledzę epidemię COVID-19 w moim stanie za pomocą modelu komputerowego, aby pomóc przewidzieć liczbę hospitalizacji w Szpitalu Johna Dempsey’a na Uniwersytecie Connecticut.

Tego typu model komputerowy i leżąca u jego podstaw teoria mogą być również użyte do obliczenia wskaźników szczepień potrzebnych do przerwania łańcucha przenoszenia koronawirusa. Według moich szacunków, w całych Stanach Zjednoczonych, około 70% populacji musi być zaszczepione, aby powstrzymać pandemię. Ale różnice w zachowaniu ludzi w różnych częściach kraju, jak również otwarte pytania dotyczące tego, czy szczepionka całkowicie zapobiega infekcji, czy tylko zapobiega chorobie, zwiększają stopień niepewności.

Odcięcie transmisji

Próby kliniczne wykazały, że gdy osoba zaszczepi się na koronawirusa, nie zachoruje na COVID-19. Osoba, która nie zachoruje, nadal może zostać zakażona koronawirusem. Ale załóżmy również, że osoba zaszczepiona nie może rozprzestrzeniać wirusa na innych, chociaż naukowcy nadal nie wiedzą, czy to prawda.

Gdy wystarczająca część populacji jest zaszczepiona, wirusowi trudno jest znaleźć nowych ludzi do zarażenia, a epidemia zaczyna wygasać. I nie wszyscy muszą być zaszczepieni, tylko wystarczająca liczba osób, aby powstrzymać wirusa przed rozprzestrzenianiem się poza kontrolą. Liczba osób, które muszą być zaszczepione jest znana jako krytyczny poziom szczepień. Gdy populacja osiągnie tę liczbę, uzyskuje się odporność stadną. Jest to bardzo ważne dla ochrony ludzi, którzy nie mogą się zaszczepić.

Krytyczny poziom szczepień zależy od tego, jak zakaźna jest choroba i jak skuteczna jest szczepionka. Zakaźność mierzy się za pomocą podstawowej liczby reprodukcyjnej – R0 – która określa, ilu osobom zakażona osoba mogłaby średnio rozprzestrzenić wirusa, gdyby nie zastosowano żadnych środków ochronnych.

Im bardziej zakaźna jest choroba, tym większa jest liczba osób, które muszą zostać zaszczepione, aby osiągnąć słyszalną odporność. Im wyższa skuteczność szczepionki, tym mniej osób musi zostać zaszczepionych.

Nie wszędzie tak samo

Wartości R0 różnią się w zależności od miejsca, ponieważ ich populacje zachowują się inaczej – interakcje społeczne nie są takie same na przykład w lokalizacjach wiejskich i miejskich, ani w ciepłym klimacie w porównaniu z zimnym.

Używając danych na temat pozytywnych przypadków, hospitalizacji i zgonów, mój model szacuje, że Connecticut ma obecnie R0 2,88, co oznacza, że średnio każda zainfekowana osoba przekazałaby wirusa 2,88 innym ludziom, gdyby nie było środków łagodzących. Szacunki na poziomie hrabstw wahają się od 1,44 w wiejskim Alpine w Kalifornii do 4,31 w miejskim Hudson w New Jersey.

Znalezienie wartości R0 dla całych Stanów Zjednoczonych jest szczególnie trudne z powodu różnorodności klimatów i ponieważ wirus dotknął różne obszary w różnym czasie – zachowanie było dalekie od jednolitego. Szacunki różnią się od 2,47 do 8,2, chociaż większość badaczy umieścić R0 dla całego USA około 3.

While R0 zmienia się w zależności od lokalizacji i między szacunkami, skuteczność szczepionek jest stała i dobrze znana. Szczepionki Pfizer-BioNTech i Moderna są skuteczne w zapobieganiu COVID-19 odpowiednio w 95% i 94,5%.

Używając wartości skuteczności szczepionek i współczynnika R0, możemy obliczyć krytyczny poziom szczepień. W Connecticut, przy R0 wynoszącym 2,88, 69% populacji musi być zaszczepione. Dla całych Stanów Zjednoczonych, przy R0 równym 3, byłoby to 70%. W Nowym Jorku, z szacowanym R0 równym 4,26 byłoby to 80%.

Dużo niepewności

Choć matematyka jest stosunkowo prosta, sprawy się komplikują, gdy weźmie się pod uwagę ważne pytania, na które epidemiolodzy wciąż nie mają odpowiedzi.

Po pierwsze, wzór na krytyczny poziom szczepień zakłada, że ludzie oddziałują na siebie losowo. Ale w prawdziwym świecie ludzie wchodzą w interakcje w wysoce ustrukturyzowanych sieciach, zależnych od pracy, podróży i powiązań społecznych. Kiedy te wzorce kontaktów są brane pod uwagę, niektórzy badacze odkryli, że krytyczny poziom szczepień jest znacznie mniejszy w porównaniu z założeniem losowych interakcji.

Niestety, inne niewiadome mogą mieć przeciwny efekt.

Próby szczepionkowe wyraźnie pokazują, że zaszczepieni ludzie nie chorują na COVID-19. Ale nadal nie wiadomo, czy szczepionki zapobiegają łagodnym infekcjom, które ludzie mogą przekazać innym. Jeśli zaszczepieni ludzie nadal mogą się zarazić i przekazać wirusa, to szczepienie nie zapewni odporności stada – choć nadal będzie zapobiegać poważnym chorobom i drastycznie zmniejszy śmiertelność.

Ostatnie pytanie, na które należy odpowiedzieć, dotyczy tego, jak długo utrzymuje się odporność na koronawirusa po zaszczepieniu danej osoby. Jeśli odporność osłabnie po kilku miesiącach, to każda osoba będzie potrzebowała powtórnych szczepień.

Ciężko jest powiedzieć z całą pewnością, ile osób trzeba zaszczepić, aby zakończyć tę pandemię. Ale nawet w tym przypadku, pojawienie się szczepionek COVID-19 było najlepszą wiadomością w 2020 roku. W 2021 roku, gdy duża część osób w USA otrzyma szczepionkę, kraj będzie zmierzał w kierunku krytycznego poziomu szczepień – jakikolwiek by on nie był – aby życie mogło zacząć wracać do normy.

.