Unraveling transmission characteristics of directly transmitted infections and informing public health policy using statistical and mathematical models

Abstract

Infectious diseases remain omnipresent in our society today. It is therefore of tremendous importance to understand the dynamics of disease transmission, in order to effectively prevent and control infectious disease outbreaks. In this dissertation, statistical and mathematical models are used to gain such understanding for several directly transmitted infections. Statistical models can be used to estimate important infectious disease parameters and their distribution from the available data. For this purpose, contact tracing data are an important source of information. However, such data may contain several biases that, if not taken into account, will be reflected in the resulting estimates. In Chapter 2, the effectiveness of the Belgian COVID-19 contact tracing system was investigated using several key performance indicators. We found that during periods of high SARS-CoV-2 incidence, placing a high burden on the contact tracing system resulting in changes to the testing and tracing strategy, such indicators should be interpreted with caution. Various sources of heterogeneity often play an important role in the transmission of infectious diseases. This is also the case for SARS-CoV-2, for which ‘superspreading’ has been shown to play an important role. It is therefore important to obtain accurate estimates of transmission heterogeneity, and previous work has mainly focused on the use of a single distribution to quantify this heterogeneity. In Chapter 3, we propose the use of several other distributions and stress the importance of model selection. In addition to obtaining estimates of key parameters, it is important to understand the contribution of different population groups to transmission. In Chapter 4, we investigated the role of children in SARS-CoV-2 transmission by reconstructing school outbreaks using epidemiological and genomic data. We found that transmission occurred mainly among children and between teachers within the school, with occasional spillover to their households. These results suggest that there is an increased risk of infection to the community if transmission in schools is not properly controlled. Mathematical modeling has played a central role in understanding the transmission dynamics of sexually transmitted infections and informing public health policy. Disparities in HIV/STI prevalence and incidence highlight the need for targeted interventions in those population groups at highest risk of infection. In Chapter 5, we investigated the effect of several combinations of intervention strategies on HIV incidence, prevalence, and AIDS-related mortality in high-risk fishing communities in Uganda. We found that condom use and early ART initiation are the most important components for the effectiveness of a combination prevention package in this key population. In Chapter 6, we introduced an individual-based model that will be used to investigate the contribution of different population groups to sustained HIV/STI transmission in Belgium. These modeling studies have also identified a need for improved data collection regarding sexual behavior, in order to improve models of HIV/STI transmission dynamics.

Infectieziekten zijn nog steeds alomtegenwoordig in onze samenleving. Het is daarom van enorm belang om de dynamiek van ziekteoverdracht te begrijpen, om uitbraken van infectieziekten te voorkomen en te beheersen. In dit proefschrift worden statistische en wiskundige modellen gebruikt om dergelijk inzicht te verkrijgen voor verschillende direct overdraagbare infecties. Statistische modellen kunnen gebruikt worden om belangrijke parameters van infectieziekten en hun verdeling te schatten op basis van de beschikbare gegevens. Voor dit doel zijn gegevens verkregen via contactonderzoek een belangrijke bron van informatie. Dergelijke gegevens kunnen echter verschillende vertekeningen bevatten die, wanneer er geen rekening mee wordt gehouden, zullen worden weerspiegeld in de resulterende parameterschattingen. In Hoofdstuk 2 werd de doeltreffendheid van het Belgische COVID-19 contactonderzoek onderzocht aan de hand van verschillende prestatie-indicatoren. We ontdekten dat tijdens periodes van hoge SARS-CoV-2 incidentie, wanneer het contactonderzoekssysteem onder druk komt te staan en er veranderingen zijn in de test- en traceerstrategie, dergelijke indicatoren met voorzichtigheid moeten worden ge¨ınterpreteerd. Verschillende bronnen van heterogeniteit spelen vaak een belangrijke rol bij de overdracht van infectieziekten. Dit is ook het geval voor SARS-CoV-2, waarbij ‘superverspreiding’ een belangrijke rol blijkt te spelen. Het is daarom van belang om nauwkeurige schattingen te verkrijgen van transmissie-heterogeniteit, en eerdere studies hebben zich voornamelijk gericht op het gebruik van een enkele verdeling om deze heterogeniteit te kwantificeren. In Hoofdstuk 3 stellen we het gebruik voor van verschillende andere verdelingen en benadrukken we het belang van modelselectie. Naast het verkrijgen van schattingen van belangrijke parameters, is het belangrijk om de bijdrage van verschillende populatiegroepen in transmissie te begrijpen. In Hoofdstuk 4 onderzochten we de rol van kinderen bij de overdracht van SARS-CoV-2 door schooluitbraken te reconstrueren met behulp van epidemiologische en genomische gegevens. We vonden dat transmissie voornamelijk plaatsvond tussen kinderen en tussen leerkrachten binnen de school, met af en toe overloop naar hun huishoudens. Deze resultaten suggereren dat er een verhoogd risico op infectie voor de gemeenschap is indien de transmissie in scholen niet goed wordt gecontroleerd. Wiskundige modellen hebben een centrale rol gespeeld bij het begrijpen van de transmissiedynamiek van seksueel overdraagbare aandoeningen (SOA’s) en het informeren van het volksgezondheidsbeleid. Verschillen in de prevalentie en incidentie van HIV/- SOA benadrukken de noodzaak van interventies die gericht zijn op bevolkingsgroepen met een verhoogd risico op besmetting. In Hoofdstuk 5 hebben we het effect onderzocht van verschillende combinaties van interventiestrategie¨en op HIV incidentie, prevalentie, en AIDS-gerelateerde sterfte in vissersgemeenschappen met een hoog risico in Uganda. We vonden dat condoomgebruik en het vroeg opstarten van ART de belangrijkste onderdelen zijn voor de doeltreffendheid van een combinatie preventiepakket in deze belangrijke populatiegroep. In Hoofdstuk 6 hebben we een individugebaseerd model ge¨ıntroduceerd dat gebruikt zal worden om de bijdrage van verschillende populatiegroepen aan de aanhoudende overdracht van HIV/SOA in Belgi¨e te onderzoeken. Deze modelleringsstudies hebben ook de noodzaak van verbeterde gegevensverzameling met betrekking tot seksueel gedrag aangetoond, om wiskundige modellen van HIV/SOA-overdrachtsdynamiek te kunnen verbeteren.