Sviluppo di un modello spazialmente esplicito di diffusione del colera e sua applicazione al caso endemico del Bangladesh

In this work, we propose a spatially explicit model of cholera transmission, which we develop in order to describe the endemic case of Bangladesh. We detail in this work the procedure of extraction of the network through which the territory can be modeled. Cholera is a disease transmitted especially through exposure to contaminated water, so the river network can be considered one of the major ways of spreading of the epidemic, besides human mobility. The data structure designed for the application of the model is therefore based on the network of hydrological connectivity, as well as on the spatial distribution of population and on the connections that regulate the movement from one community to another. In this region, the incidence of cholera exhibits two annual peaks, although the main environmental drivers (precipitation and temperature) peak once per year during the monsoon season (from June to September). The proposed model attempts to explain these particular dynamics taking into account the annual fluctuations of water availability and considering hydro-climatological forcings as inputs of the model. For this purpose, the compartmental epidemiological model Susceptible-Infected-Recovered-Bacteria is integrated with a hydrological model for the water balance in the local water reservoir. Results show that the dynamics of the disease are controlled by the annual cycle of hydro-climatological forcings, but this is not sufficient to explain the qualitative differences observed in different regions of Bangladesh, unless explicit consideration of the spatial dynamics of the phenomenon. The introduction of two terms of transport (hydrological transport and human mobility) allows to generate spatial cholera prevalence patterns that confirm the bimodal pattern typically observed in this region.

In questo lavoro si propone un modello spazialmente esplicito di diffusione del colera sviluppato per descrivere il caso endemico del Bangladesh e si descrive la procedura di estrazione della rete con cui modellare il territorio. Il colera è una malattia che si trasmette specialmente attraverso l'esposizione all'acqua contaminata, rendendo la rete idrica la principale via di diffusione dell'epidemia. La struttura dati predisposta per l'applicazione del modello si basa quindi sulla rete di connettività idrologica, oltreché sulla distribuzione spaziale della popolazione e sulle connessioni che ne regolano gli spostamenti da una comunità all'altra. In questa regione, l'incidenza del colera mostra due picchi durante l'anno, nonostante le principali forzanti ambientali (precipitazioni e temperatura) mostrino un solo picco nella stagione dei monsoni (giugno-settembre). Il modello proposto cerca di spiegare queste particolari dinamiche tenendo conto delle fluttuazioni annuali del volume idrico e considerando variabili idro-climatologiche come ingressi del modello. A questo scopo, il modello epidemiologico compartimentale Suscettibili-Infetti-Ristabiliti-Batteri viene integrato con un modello idrologico per il bilancio idrico nei pond. I risultati mostrano come la dinamica della malattia sia controllata dal ciclo annuale delle forzanti idro-climatologiche, ma che questo non sia sufficiente a spiegare le differenze qualitative osservate in diverse regioni del Bangladesh, a meno di considerare esplicitamente le dinamiche spaziali del fenomeno. L'introduzione di due termini di trasporto (il trasporto idrologico e la mobilità umana) permette di generare pattern spaziali di distribuzione della prevalenza della malattia che confermano l'andamento bimodale tipicamente osservato in questa regione.