Analysis, control and forecast of schistosomiasis spatiotemporal dynamics via network modelling

Schistosomiasis is a parasitic, water-related disease that is prevalent in tropical and subtropical areas of the world, causing severe and chronic consequences especially among children. In this dissertation, different modelling frameworks are proposed, focusing on the main environmental and socioeconomic aspects considered to be relevant in schistosomiasis spread. These models are used to analyze transmission patterns in different settings, ranging from purely theoretical ones to real case studies. First, the mechanisms that drive the temporal variability of disease severity and prevalence are explored introducing nonlinearities in demographic and epidemiological dynamics. Then, the impacts of different sources of local and spatial heterogeneity are investigated, together with their implications on effectiveness of possible intervention strategies. Spatially explicit network models, properly informed by socioeconomic and environmental data, are thus used to study the spread of schistosomiasis in Senegal, where the urogenital form of the infection is widespread. The analysis is performed by integrating proxies of human mobility (inferred from a very large database of mobile phone traces) with a geospatial analysis which includes georeferenced data on demography, water supply/sanitation, and schistosomiasis prevalence. Results are presented and discussed in the perspective of using epidemiological models as tools for disease control. In this respect, the effects of intervention strategies based on human development, exposure and contamination prevention, awareness about risk factors, and biological control of snail intermediate hosts are evaluated by means of model simulation.

La schistosomiasi è una malattia parassitaria idrotrasmessa tipica delle zone tropicali e subtropicali del mondo, causa di gravi patologie croniche specialmente tra i bambini. Nella presente tesi, sono proposti diversi modelli matematici, basati sui principali aspetti ambientali e socio-economici che si sono dimostrati essere rilevanti nella diffusione della schistosomiasi. Questi modelli sono utilizzati per analizzare la trasmissione della malattia in diversi contesti, a partire da scenari puramente teorici fino a reali casi di studio. In primo luogo, i meccanismi responsabili della variabilità temporale e della severità della malattia vengono esplorati attraverso l'introduzione di non linearità nelle dinamiche demografiche ed epidemiologiche. Successivamente, vengono studiati gli impatti di diverse fonti di eterogeneità locali e spaziali, insieme alle loro implicazioni sull'efficacia di possibili strategie di intervento. Modelli spazialmente espliciti basati su dati socio-economico e ambientali sono quindi utilizzati per studiare la diffusione della schistosomiasi in Senegal, dove la forma urogenitale dell'infezione è molto diffusa. L'analisi viene effettuata integrando proxy di mobilità umana (sviluppati sulla base di un grande database di dati di telefonia mobile) con un'analisi geospaziale che comprende dati georeferenziati di demografia, approvvigionamento idrico e igienico-sanitario, e casi di schistosomiasi. I risultati sono presentati e discussi in prospettiva di utilizzare i modelli proposti come strumenti per il controllo della malattia. A tale riguardo, gli effetti di diverse strategie di intervento basate sullo sviluppo della società, la prevenzione, la consapevolezza dei fattori di rischio e il controllo biologico degli ospiti intermedi vengono infine valutati per mezzo di simulazioni numeriche.