Hur många personer måste vaccineras mot COVID-19 för att stoppa coronaviruset?

Det har stått klart ett tag att, åtminstone i USA, den enda vägen ut ur coronavirus-pandemin kommer att vara vaccination. Den snabba spridningen av vaccin mot coronavirus är på gång, men hur många människor måste vaccineras för att kontrollera denna pandemi?

Jag är en beräkningsbiolog som använder data och datormodeller för att besvara biologiska frågor vid University of Connecticut. Jag har följt COVID-19-epidemin i min delstat med hjälp av en datormodell för att kunna förutse antalet sjukhusinläggningar vid John Dempsey-sjukhuset vid University of Connecticut.

Denna typ av datormodell och den underliggande teorin kan också användas för att beräkna den vaccinationsfrekvens som krävs för att bryta överföringskedjan för coronaviruset. Min uppskattning är att för hela USA behöver ungefär 70 procent av befolkningen vaccineras för att stoppa pandemin. Men variationer i hur människor beter sig i olika delar av landet, liksom öppna frågor om huruvida vaccinet förhindrar infektion helt och hållet eller bara förhindrar att människor blir sjuka, bidrar till en viss osäkerhet.

Avbrytande av överföring

Kliniska försök har visat att när en person väl har vaccinerats mot coronaviruset kommer de inte att bli sjuka av COVID-19. En person som inte blir sjuk kan fortfarande smittas av coronaviruset. Men låt oss också anta att en vaccinerad person inte kan sprida viruset till andra, även om forskarna fortfarande inte vet om detta är sant.

När tillräckligt många av befolkningen är vaccinerade har viruset svårt att hitta nya människor att smitta och epidemin börjar dö ut. Och alla behöver inte vaccineras, bara tillräckligt många för att stoppa viruset från att sprida sig okontrollerat. Antalet personer som behöver vaccineras kallas den kritiska vaccinationsnivån. När en befolkning når det antalet får man flockimmunitet. Flockimmunitet är när det finns så många vaccinerade personer att en smittad person knappt kan hitta någon annan som kan bli smittad, och därför kan viruset inte sprida sig till andra människor.Detta är mycket viktigt för att skydda människor som inte kan bli vaccinerade.

Den kritiska vaccinationsnivån beror på hur smittsam sjukdomen är och hur effektivt vaccinet är. Smittsamheten mäts med hjälp av det grundläggande reproduktionstalet – R0 – som anger hur många personer en smittad person i genomsnitt skulle sprida viruset till om inga skyddsåtgärder vidtogs.

Jo mer smittsam en sjukdom är, desto större är antalet personer som måste vaccineras för att uppnå hörd immunitet. Ju högre effektivitet vaccinet har, desto färre personer behöver vaccineras.

Inte samma överallt

R0-värdena skiljer sig åt från plats till plats eftersom deras befolkningar beter sig olika – sociala interaktioner är inte desamma på landsbygden och i städerna, inte heller i varma klimat jämfört med kalla klimat, till exempel.

Med hjälp av uppgifterna om positiva fall, sjukhusinläggningar och dödsfall uppskattar min modell att Connecticut för närvarande har ett R0-värde på 2,88, vilket innebär att varje smittad person i genomsnitt skulle föra viruset vidare till 2,88 andra personer om inga begränsningsåtgärder vidtogs. Uppskattningarna på länsnivå sträcker sig från 1,44 på landsbygden i Alpine i Kalifornien till 4,31 i staden Hudson i New Jersey.

Men det är särskilt svårt att hitta ett R0-värde för hela USA på grund av klimatets mångfald och på grund av att viruset har drabbat olika områden vid olika tidpunkter – beteendet har varit långt ifrån enhetligt. Uppskattningarna varierar från 2,47 till 8,2, även om de flesta forskare placerar R0 för hela USA runt 3.

Men även om R0 varierar beroende på plats och mellan olika uppskattningar är vaccinernas effektivitet konstant och välkänd. Vaccinerna från Pfizer-BioNTech och Moderna har en effektivitet på 95 % respektive 94,5 % när det gäller att förebygga COVID-19.

Med hjälp av värden för vaccinets effektivitet och R0 kan vi beräkna den kritiska vaccinationsnivån. För Connecticut, med en R0 på 2,88, behöver 69 % av befolkningen vaccineras. För hela USA, med en R0 på 3, skulle detta vara 70 %. I New York City, med en beräknad R0 på 4,26 skulle detta vara 80 %.

En hel del osäkerhet

Men även om matematiken är relativt enkel blir saker och ting komplicerade när man tar hänsyn till viktiga frågor som epidemiologerna fortfarande inte har några svar på.

För det första förutsätter formeln för kritisk vaccinationsnivå att människor interagerar slumpmässigt. Men i den verkliga världen interagerar människor i mycket strukturerade nätverk beroende på arbete, resor och sociala kontakter. När dessa kontaktmönster beaktas har vissa forskare funnit att de kritiska vaccinationsnivåerna är betydligt lägre än om man utgår från slumpmässiga interaktioner.

Olyckligtvis kan andra okända faktorer ha motsatt effekt.

Vaccinationsförsök visar tydligt att vaccinerade personer inte blir sjuka av COVID-19. Men det är fortfarande okänt om vaccinerna förhindrar att människor får milda infektioner som de kan föra vidare till andra. Om vaccinerade personer fortfarande kan smittas och föra viruset vidare ger vaccinering ingen flockimmunitet – även om den fortfarande skulle förhindra allvarliga sjukdomar och minska dödligheten drastiskt.

En sista fråga som återstår att besvara är hur länge immuniteten mot coronaviruset varar efter att en person har vaccinerats. Om immuniteten avtar efter några månader kommer varje individ att behöva upprepade vaccinationer.

Det är svårt att med säkerhet säga hur många människor som behöver vaccineras för att få slut på denna pandemi. Men trots detta har ankomsten av COVID-19-vaccin varit den bästa nyheten under 2020. År 2021, när en stor del av individerna i USA får vaccinet, kommer landet att närma sig den kritiska vaccinationsnivån – vilken den än må vara – så att livet kan börja återgå till det normala.