Analysis and individual-based modelling of the tuberculosis epidemiology in Barcelona. The role of age, gender and origin.

Abstract

Abstract Tuberculosis (TB) has existed for millennia and remains a major global health problem. The best estimate is that there were 1.8 million TB deaths and 10.4 million new TB cases in 2015. It is one of the top 10 causes of death worldwide, ranking above HIV/AIDS as one of the leading causes of death from an infectious disease. In particular, the Ciutat Vella neighbourhood in Barcelona has a tuberculosis incidence which is comparable to the incidence in countries like Sudan. Data provided by the Agència de Salut Pública de Barcelona has been key to this project. It has enabled us to describe and analyse the tuberculosis transmission patterns in Ciutat Vella. We have characterized the strongest TB transmission channels between collectives (i.e. an immigrant male adult will be most likely infected by another immigrant male adult). The age, gender and origin of the TB sick population in Ciutat Vella have been observed to be relevant variables for the determination of transmission patterns. These findings have allowed us to improve a previous Individual-based Model which is used to simulate the tuberculosis dynamics in Ciutat Vella. The model was implemented in NetLogo, a free and open source simulation tool that incorporates a helpful user-friendly interface. To improve the model, age, gender and origin (native/immigrant) have been introduced as new properties of the individuals. The tuberculosis infection and sickening process have now been simulated taking into account the analysed transmission patterns and sickening probabilities, which differ for each different individual profile. This has allowed to observe simulation results closer to reality. Finally, the distributions of ages, gender and origin for the TB cases in Ciutat Vella have been compared to the ones obtained with the simulations. Similar distributions were observed with a reasonably satisfactory agreement in quantitative terms, but further work is required to increase the quality of such agreement. As conclusions, we have seen that the distribution of ages, gender and origin amongst the TB sick population in Ciutat Vella is far from homogenous. The profile of the individuals has a significant effect on the way the disease is developed and transmitted. Depending on the profile, the risk of becoming infected and the risk of progressing to disease varies greatly and special attention must be brought to those collectives which are most susceptible. Immigrant male adults appear to be the hotspot for TB in Ciutat Vella, accounting for over 50% of the total cases and infecting almost 80% of the times individuals with the same profile. Knowing which are the most susceptible collectives and the transmission patterns will allow to apply optimized and more efficient TB control strategies.

Resum La Tuberculosi (TB) està present al planeta des de fa milers d'anys i segueix sent un greu problema de salut global. El número estimat de morts per TB durant el 2015 va ser de 1.8 milions, i el nombre de nous casos va ser de 10.4 milions. És una de les principals 10 causes de mort per malaltia infecciosa mundialment, per sobre del nombre de morts causades pel virus del VIH. Concretament, al districte de la Ciutat Vella a Barcelona s'hi observa una incidència de la tuberculosi comparable a la incidència de països com Sudan. Les dades de l'Agència de Salut Pública de Barcelona han sigut claus per aquest projecte. Ens han permès descriure i analitzar els patrons de transmissió de la tuberculosis a la Ciutat Vella. Hem caracteritzat els canals de transmissió més importants entre grups de gent (per exemple, un home adult i immigrant haurà estat infectat molt probablement per un altre home adult i immigrant). S'ha trobat que l'edat, el gènere i l'origen dels malalts de TB són variables molt rellevants a l'hora de determinar els patrons de transmissió. Aquests descobriments ens han permès millorar un Model basat en l'Individu, que s'ha utilitzat per simular la dinàmica de la tuberculosi a la Ciutat Vella. El model ha estat implementat a NetLogo, una plataforma d'accés i codi lliure que incorpora una interfície d'ús versàtil. Per a millorar el model, característiques com l'edat, el gènere i l'origen (autòctons/immigrants) dels individus s'han inclòs com a propietats en les simulacions. El procés d'infectar-se i d'emmalaltir a causa de la tuberculosi s'ha simulat tenint en compte els patrons de transmissió i el risc d'emmalaltir analitzats, característiques que dependran del perfil dels individus. Això ha permès observar resultats més similars a la realitat. Finalment, les distribucions d'edat, gènere i origen dels malalts de tuberculosi a la Ciutat Vella s'han comparat amb les distribucions obtingudes a partir de les simulacions. Distribucions similars a nivell qualitatiu han sigut observades, però és necessari seguir-hi treballant per incrementar la qualitat de les simulacions a nivell quantitatiu. S'ha conclòs que les distribucions d'edats, gènere i origen entre els malalts de tuberculosi a la Ciutat Vella són molt heterogènies. El perfil dels individus alterarà significativament la manera en la que la malaltia es desenvolupa i es transmet. Segons el perfil de la persona, el risc que tingui tant d'infectar-se com d'emmalaltir variarà molt i s'ha de prestar especial atenció als col·lectius més susceptibles. Els homes adults i immigrants són el col·lectiu més nombrós entre els malalts de tuberculosi a la Ciutat Vella i representen més del 50% dels casos totals. A més, segons els nostres resultats, els homes adults i immigrants infectaran un 80% de les vegades a un altre individu del mateix perfil. Si es coneixen els grups de gent més susceptibles a tenir la malaltia i es coneixen els patrons de transmissió, es podran aplicar estratègies de control de TB més eficaces i eficients.

Resumen La tuberculosis (TB) está presente en el planeta desde hace miles de años y sigue siendo un grave problema de salud global. El número estimado de muertes por TB durante el 2015 fue de 1.8 millones y el número de nuevos cases fue de 10.4 millones. Es una de las principales 10 causas de muerte por enfermedad infecciosa mundialmente por encima del número de muertes causadas por el VIH. Concretamente en el distrito de la Ciutat Vella en Barcelona se observa una incidencia de la tuberculosis comparable a la incidencia de países como Sudan. Los datos proporcionados por l'Agència de Salut Pública de Barcelona han sido claves para este proyecto. Nos han permitido describir y analizar los patrones de transmisión de la tuberculosis en Ciutat Vella. Hemos caracterizado los canales de transmisión más importantes entre distintos grupos de personas (por ejemplo, un hombre adulto e inmigrante habrá sido infectado muy probablemente por otro hombre adulto e inmigrante). Se ha observado que la edad, el género y el origen de los enfermos de TB son variables muy relevantes a la hora de determinar los patrones de transmisión. Estos hallazgos nos han permitido mejorar un Modelo basado en el Individuo. La utilidad de dicho modelo ha sido simular la dinámica de la tuberculosis en la Ciutat Vella. El modelo ha estado implementado en NetLogo, una plataforma de acceso y código libre que además incorpora una interface de uso versátil. Para mejorar el modelo, características como la edad, el género y el origen (autóctonos/inmigrantes) de los individuos se han incorporado como propiedades en las simulaciones. El proceso de infectarse y enfermar debido a la tuberculosis se ha simulado tomando en consideración los patrones de transmisión y el riesgo de enfermar analizados anteriormente, los cuales dependen del perfil de los individuos. Este cambio ha permitido observar resultados más similares a la realidad. Finalmente, las distribuciones de edad, género y origen de los enfermos de tuberculosis en la Ciutat Vella se han comparado con las distribuciones obtenidas a partir de simulaciones. Distribuciones similares a nivel cualitativo han sido observadas, pero es necesario continuar con el trabajo hecho para aumentar la calidad de las simulaciones a nivel cuantitativo. Se ha concluido que las distribuciones de edad, género y origen entre los enfermos de tuberculosis en la Ciutat Vella son muy heterogenias. El perfil de los individuos alterará significativamente la manera en la que la enfermedad se desarrolla y se transmite. Según el perfil de la persona, el riesgo tanto de infectarse como de enfermar variará mucho y se deberá prestar especial atención a aquellos colectivos más susceptibles. Los hombres adultos e inmigrantes son el perfil más común entre los enfermos de tuberculosis en Ciutat Vella y representan más del 50% del total de casos. Además, según nuestros resultados, los hombres adultos e inmigrantes infectaran un 80% de las veces a otro individuo con el mismo perfil. El conocer los colectivos más susceptibles a tener esta enfermedad y se conocen también los patrones de transmisión, se podrán aplicar estrategias de control de TB más eficaces y más eficientes.