Fan, Ruili, University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Mathematics and Statistics, Doctoral Programme in Mathematics and Statistics, Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Matematiikan ja tilastotieteen tohtoriohjelma, Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Doktorandprogrammet i matematik och statistik, Pugliese, Andrea, and Geritz, Stefan
In this dissertation I develop a general theoretical framework for designing healthcare strategies for controlling infectious diseases. The dissertation employs a variety of mathematical methods, such as mathematical modelling, adaptive dynamics, and optimisation. The design of strategies for controlling infectious diseases by means of healthcare interventions (such as vaccination, quarantine, and individual isolation and treatment) is a complicated affair for a number of reasons. Firstly, pathogens tend to adapt to the current state of healthcare interventions (e.g., by becoming more virulent or infectious), which renders present interventions less effective. For a control strategy to be successful in the long term, such evolutionary responses of the pathogen need to be anticipated and taken into account. Secondly, the optimal strategy will depend on the particular objective (such as the minimisation of virulence or infectiousness, the total eradication of the disease, or others). The choice of an objective is political, but in order to be able to make a rational choice, the relation between the objective and the corresponding optimal control strategy has to be known first. Thirdly, which strategies can be practically implemented depends on constraints (such as the available budget, knowledge, technology, infrastructure, and others) that also affect the design of the control strategies. Fourthly, pathogen-specific characteristics (such as cross-immunity, superinfection, and co-infection) play a significant role in the infection process. They can complicate the infection process and make infection control more difficult. In order to develop highly effective control strategies, these pathogen characteristics need to be incorporated into research. The dissertation focuses on three sub-projects, corresponding to the three articles listed below. The first sub-project focuses on the study of the feedback loop between healthcare interventions and virulence evolution, with virulence being defined as the disease-induced death rate. The second sub-project is concerned with the study of optimal strategies for various healthcare interventions in terms of multiple objectives and budget levels. The third sub-project aims to study the effects of healthcare interventions on pathogen evolution (in particular, the evolution of the within-host growth rate) in the context of cross-immunity acting between different strains. Tässä väitöskirjassa kehitän yleisen teoreettisen viitekehyksen infektiotauteja torjuvien terveydenhuollon strategioiden suunnittelulle. Väitöskirja käyttää monenlaisia matemaattisia menetelmiä, kuten matemaattista mallintamista, sopeutuvaa dynamiikkaa ja optimointia. Tarttuvien tautien hallintastrategioiden suunnittelu terveysinterventioiden avulla (kuten rokotus, karanteeni ja yksilöllinen eristäminen ja hoito) on monimutkainen asia useista syistä. Ensinnäkin patogeenit taipuvat sopeutumaan nykyisiin terveysinterventioihin (esim. muuttumalla virulentimmiksi tai tarttuvammiksi), mikä tekee nykyisistä interventioista vähemmän tehokkaita. Jotta hallintastrategia olisi pitkällä aikavälillä menestyksekäs, patogeenin evolutiivisiin vastauksiin on varauduttava ja otettava ne huomioon. Toiseksi optimaalinen strategia riippuu erityisestä tavoitteesta (kuten virulenssin tai tarttuvuuden minimoinnista, taudin kokonaisvaltaisesta hävittämisestä tai muista). Tavoitteen valinta on poliittinen, mutta järkevän valinnan tekemiseksi tavoitteen ja vastaavan optimaalisen hallintastrategian suhde on ensin tunnettava. Kolmanneksi se, mitkä strategiat voidaan käytännössä toteuttaa, riippuu rajoituksista (kuten käytettävissä olevasta budjetista, tiedosta, teknologiasta, infrastruktuurista ja muista), jotka vaikuttavat myös hallintastrategioiden suunnitteluun. Neljänneksi patogeenikohtaiset ominaisuudet (kuten risti-immuniteetti, superinfektio ja yhteisinfektio) ovat merkittävä rooli infektioprosessissa. Ne voivat monimutkaistaa infektioprosessia ja tehdä infektioiden torjunnasta vaikeampaa. Jotta voitaisiin kehittää erittäin tehokkaita hallintastrategioita, nämä patogeenin ominaisuudet on otettava huomioon tutkimuksessa. Väitöskirja keskittyy kolmeen alaprojektiin, jotka vastaavat alla lueteltuja kolmea artikkelia. Ensimmäinen alaprojekti keskittyy terveydenhuollon interventioiden ja virulenssin evoluution väliseen palautelooppiin, jossa virulenssi määritellään tautiin liittyvän kuolleisuusasteena. Toinen alaprojekti käsittelee optimaalisten strategioiden tutkimusta eri terveydenhuollon interventioihin useiden tavoitteiden ja budjettitasojen näkökulmasta. Kolmas alaprojekti pyrkii tutkimaan terveydenhuollon interventioiden vaikutuksia patogeenien evoluutioon (erityisesti isäntäsolun kasvunopeuden evoluutioon) eri kantojen välisessä ristisuojautumisessa.