Social contact behaviors and influential factors relevant to the transmission of respiratory diseases

Abstract

The central focus of this dissertation is on analysing social contact data using statistical and mathematical models to provide insights into the dynamics of infectious diseases. Social contact data, collected from social contact surveys, can give information about patterns of direct contacts between people with respect to age, sex and locations, which determine the transmission rate for respiratory diseases. Therefore, understanding contact behavior patterns is crucial for designing infectious disease control. The dissertation includes 5 main works, presented from Chapter 3 to Chapter 7. In Chapter 3, we systematically retrieved and reviewed the literature on social contact surveys. The results show that most of contact surveys were conducted in high and middle-income countries, whereas low-income countries, which have a higher burden of communicable diseases, were less studied in this respect. The use of self-reported diaries (paper or online) was the most commonly employed method. Major determinants for the number of contacts included characteristics of the respondent (age, gender, and health status), time (weekday or weekend, and term time or holiday) and their immediate environment (household size and urban versus rural). From the results of the review, we formulated the recommendations for future surveys collecting social contact data relevant for the spread of respiratory pathogens, with respect to study object, study design, data collection tools and minimal contact information. In Chapter 4, we presented a social contact data sharing initiative, which focuses on collecting and sharing social contact data with the scientific research community. We established a website: www.socialcontactdata.org; on which we provided a guideline on how data can be formatted and shared, and also listed where data can be found on the Zenodo repository. In addition, an online tool was created to facilitate data access and analyses. As a case study, we exploited our application to quantify the potential impact of school closure and a shift of workers from a common workplace to teleworking in light of the mitigation measures against COVID-19 pandemic. These can help inform policy makers about the impact social distancing measures can have on the spread of SARS-CoV-2. Chapter 5 presented the results of the 2010-2011 social contact survey and compared it with the results of the 2006 social contact survey to investigate whether contact rates were stable over a period of almost 5 years. Different data mining techniques were used to explore the data and the age-specific number of social contacts was modelled using a GAMLSS model. The relative change in basic reproduction number (R0) and the ratio of relative incidence (RRI) with 95% bootstrap confidence interval were used to investigate the impact on epidemic spread due to school closure, gender differences, and changes in mixing patterns over years. Our results show that contact patterns in 2006 and 2010-2011 followed the same trend of assortativeness. Furthermore, a large reduction in R0for weekend versus weekday and for holiday versus regular term was observed in both surveys. No substantial changes in the spread of infection, measured by R0and age-specific RRI, were observed. We suggested that social contact rates can be assumed stable in Flanders over a time span of 5 years when no major shocks to risk perceptions or demography occur. Social contact and time-use data from the Flemish social contact survey anno 2010- 2011 were used in Chapter 6. We compared their performance as proxy for disease transmission dynamics by using contact matrices and exposure time matrices in deterministic models to fit to serological data and incidence data. We also explored whether the combination of two data sources can be more informative in explaining the disease transmission dynamics. Our results show that, depending on the disease, one of the two may be a better proxy for the transmission route of the pathogen. In particular, combining social contact and time-use data provided an improved measure of risk events with respect to VZV. In Chapter 7, we quantified and compared the number of contacts of older people aged 60+ years with children aged [0;18) years among different days and evaluated their impact on R0and RI by mimicking a reduction in the number of social contacts of older people with other age groups, especially with children. Our results show that the limitation of child-elderly contacts alone did not have much impact on reducing R0, but it helped to lower the RI of older people who presented a higher chance to develop severe symptoms for Covid-19. Furthermore, the reduction of 50% of adult-elderly contacts led to a higher impacts on R0 and RI of older people than reducing of all child-elderly contacts.

De centrale focus van dit proefschrift ligt op het analyseren van sociale contactgegevens met behulp van statistische en wiskundige modellen om inzicht te krijgen in de dynamiek van infectieziekten. Sociale contactgegevens, verzameld uit enquˆetes over sociale contacten, kunnen informatie geven over patronen van directe contacten tussen mensen met betrekking tot leeftijd, geslacht en locaties, die bepalend zijn voor de overdrachtssnelheid van luchtwegaandoeningen. Daarom is het begrijpen van contactgedragspatronen cruciaal voor het informeren van infectieziektebestrijding. Het proefschrift omvat 5 hoofdwerken, gepresenteerd van hoofdstuk 3 tot hoofdstuk 7. In hoofdstuk 3 hebben we systematisch de literatuur over sociale contactenquˆetes verzameld en beoordeeld. Uit de resultaten bleek dat de meeste contactenquˆetes werden uitgevoerd in landen met hoge en middeninkomens, terwijl lage-inkomenslanden, die een hogere last van overdraagbare ziekten hebben, in dit opzicht minder werden bestudeerd. Het gebruik van zelfgerapporteerde dagboeken (papier of online) was de meest gebruikte methode. Belangrijke determinanten voor het aantal contacten waren eigenschappen van de respondent (leeftijd, geslacht en gezondheidstoestand), tijd (weekdag of weekend, en periode of vakantie), en hun directe omgeving (huishoudgrootte, stedelijk versus landelijk gebieden). Op basis van de resultaten van de review hebben we aanbevelingen geformuleerd voor toekomstige onderzoeken die sociale contactgegevens zullen verzamelen die relevant zijn voor de verspreiding van respiratoire pathogenen, met betrekking tot onderzoeksobject, onderzoeksontwerp, hulpmiddelen voor gegevensverzameling en minimale contact informatie. In hoofdstuk 4 presenteerden we een initiatief voor het delen van sociale contactgegevens, dat zich richt op het verzamelen en delen van sociale contactgegevens met de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap. We hebben een website www.socialcontactdata.org opgericht waarin we een richtlijn hebben gemaakt over hoe data kunnen worden opgemaakt en gedeeld, en we hebben vermeld waar data kunnen vinden zijn in de Zenodo-repository. Daarnaast is er een online tool gemaakt om data toegang en analyses te vergemakkelijken. Als case study hebben we onze applicatie gebruikt om de potenti¨ele impact van schoolsluiting en een verschuiving van werknemers van een gewone werkplek naar telewerken te kwantificeren in het licht van de beperkende maatregelen tegen de COVID-19-pandemie. Onze resultaten kunnen beleidsmakers helpen te informeren over de impact die de maatregelen op het gebied van sociale afstand kunnen hebben op de verspreiding van SARS-CoV-2. Hoofdstuk 5 presenteerde de resultaten van de sociale contact enquˆete tussen 2010- 2011 en vergeleek deze met de resultaten van de sociale contact enquˆete uit 2006 om te onderzoeken of de contact rates stabiel waren over een periode van bijna 5 jaar. Verschillende data mining technieken werden gebruikt om de gegevens te verkennen en het aantal leeftijdsspecifieke sociale contacten werd gemodelleerd met behulp van een GAMLSS-model. De relatieve verandering in het basis reproductie getal (R0) en de ratio van de relatieve incidentie (RRI) met 95% bootstrap-betrouwbaarheidsinterval (CI) werden gebruikt om de impact op de verspreiding van epidemie¨en als gevolg van schoolsluiting, geslachtsverschillen en veranderingen in mixing patronen in de loop van de jaren te onderzoeken. Ons resultaat toonde aan dat, ongeacht de microscopische tijdsinstellingen, de contact patronen in 2006 en 2010-2011 dezelfde trend van assortativiteit volgden. Verder werd in beide onderzoeken een grote daling van R0voor weekend versus weekdag en voor vakantie versus schooldagen waargenomen. Binnen elke microscopische tijdsperiode werden geen substanti¨ele veranderingen in de verspreiding van infectie waargenomen, gemeten aan de hand van R0en leeftijdsspecifieke RRI. We stelden vast dat de sociale contactpercentages stabiel kunnen worden verondersteld in Vlaanderen over een tijdspanne van 5 jaar wanneer er geen grote schokken in risicopercepties of demografie optreden. Gegevens over sociale contacten en time-use van de Vlaamse sociale-contact enquˆete anno 2010-2011 werden gebruikt in hoofdstuk 6. We vergeleken hun performantie als proxy voor de dynamiek van ziektetransmissie door contactmatrices en blootstellingstijdmatrices in deterministische modellen te gebruiken om ze aan te passen aan serologische gegevens en incidentie gegevens. We hebben ook onderzocht of de combinatie van twee data sources informatiever kan zijn bij het verklaren van de dynamiek van ziekteoverdracht. Onze resultaten toonden aan dat, afhankelijk van de ziekte, een van de twee een betere proxy kan zijn voor de transmissieroute van de ziekteverwekker. Vooral het combineren van sociaal contacten time-use gegevens zorgde voor een betere meting van risicogebeurtenissen met betrekking tot VZV. In hoofdstuk 7 kwantificeerden en vergeleken we het aantal contacten van oudere mensen van 60+ jaar met kinderen van [0;18) jaar op verschillende dagen en evalueerden we hun impact op R0en RI door een vermindering van het aantal sociale contacten van ouderen met andere leeftijdsgroepen, vooral met kinderen. Onze resultaten toonden aan dat de beperking van contacten tussen enkel kinderen en ouderen niet veel invloed had op het verminderen van R0, maar het hielp de RI te verlagen bij oudere mensen die een grotere kans hadden om ernstige symptomen voor Covid-19 te ontwikkelen.