modeling the ebola outbreak in west africa, february 10th 2015 update

34
DRAFT – Not for a.ribu2on or distribu2on Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, 2014 February 10 th Update Bryan Lewis PhD, MPH ([email protected] ) presen2ng on behalf of the Ebola Response Team of Network Dynamics and Simula2on Science Lab from the Virginia Bioinforma2cs Ins2tute at Virginia Tech Technical Report #15015

Upload: ndsslvt

Post on 15-Jul-2015

79 views

Category:

Sales


0 download

TRANSCRIPT

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Modeling  the  Ebola    Outbreak  in  West  Africa,  2014  

February  10th  Update    

Bryan  Lewis  PhD,  MPH  ([email protected])  presen2ng  on  behalf  of  the  Ebola  Response  Team  of    

Network  Dynamics  and  Simula2on  Science  Lab  from  the  Virginia  Bioinforma2cs  Ins2tute  at  Virginia  Tech  

Technical  Report  #15-­‐015  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

NDSSL  Ebola  Response  Team  Staff:  Abhijin  Adiga,  Kathy  Alexander,  Chris  Barre.,  Richard  Beckman,  Keith  Bisset,  Jiangzhuo  Chen,  Youngyoun  Chungbaek,  Stephen  Eubank,  Sandeep  Gupta,  Maleq  Khan,  Chris  Kuhlman,  Eric  Lofgren,  Bryan  Lewis,  Achla  Marathe,  Madhav  Marathe,  Henning  Mortveit,  Eric  Nordberg,  Paula  Stretz,  Samarth  Swarup,  Meredith  Wilson,Mandy  Wilson,  and  Dawen  Xie,  with  support  from  Ginger  Stewart,  Maureen  Lawrence-­‐Kuether,  Kayla  Tyler,  Bill  Marmagas    Students:  S.M.  Arifuzzaman,  Aditya  Agashe,  Vivek  Akupatni,  Caitlin  Rivers,  Pyrros  Telionis,  Jessie  Gunter,  Elizabeth  Musser,  James  Schli.,  Youssef  Jemia,  Margaret  Carolan,  Bryan  Kaperick,  Warner  Rose,  Kara  Harrison           2

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Currently  Used  Data  (as  of  Feb  4th,  2014)  

●  Data  from  WHO,  MoH  Liberia,  and  MoH  Sierra  Leone,  available  at  h.ps://github.com/cmrivers/ebola  

●  MoH  and  WHO  have  reasonable  agreement  ●  Sierra  Leone  case  counts  censored  up  

to  4/30/14.  ●  Time  series  was  filled  in  with  missing  

dates,  and  case  counts  were  interpolated.  

3

       Cases  Deaths    Guinea      2,975  1,944    Liberia      8,745  3,746    Sierra  Leone    10,740  3,276    Total      22,724  8,981  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  –  Case  Loca2ons  

4

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  infec2on  rate  

5

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  Forecast    

6

12/23  -­‐  

1/01  

1/02    -­‐  

1/08  

1/09  -­‐  

1/15  

01/16  -­‐  

1/22  

1/23  -­‐  

2/01    

2/02  -­‐  

2/08  

2/09  -­‐  

2/16    

Reported   190   163   107   130   197  

Updated  model   187   174   162   151   141   131   122  

Reproduc2ve  Number  Community      0.3  Hospital        0.3  Funeral          0.2  Overall            0.8  

   

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  long  term  forecasts  

7

Date   Weekly  forecast  

2/9   122  

2/16   114  

2/23   106  

3/02   99  

3/09   92  

3/16   86  

3/23   80  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia-­‐  Prevalence  

8

Date   People  in  H  +  I  

2/2   331  

2/9   308  

2/16   288  

2/23   268  

3/02   250  

3/09   233  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Sierra  Leone  infec2on  rate  

9

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Sierra  Leone  Forecast  

10

35%  of  cases  are  hospitalized  

ReproducRve  Number  Community  0.7  Hospital    0.2    Funeral    0.1    Overall    1.0    

12/28  -­‐  

1/04  

1/05    -­‐  

1/11  

1/12    -­‐  

 1/18  

1/19  -­‐  

1/25  

1/26  -­‐  

2/01  

2/02  -­‐  

2/08  

02/09  -­‐  

02/16  

Reported   334   260   212   129   146  

Updated  model   317   290   267   244   224   205   188  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

SL  longer  term  forecast  

11

Sierra  Leone  –  Newer  Model  fit  –  Weekly  Incidence   Date   Weekly  forecast  

2/2   224  

2/9   205  

2/16   188  

2/23   172  

3/02   158  

3/09   145  

3/16   132  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Sierra  Leone  -­‐  Prevalence  

12

Date   People  in  H  +  I  

1/26   448  

2/2   411  

2/9   376  

2/16   345  

2/23   316  

3/02   289  

3/09   265  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Guinea  Forecasts  

13

40%  of  cases  are  hospitalized  

ReproducRve  Number  Community  0.25  Hospital    0.09    Funeral    0.01    Overall    0.36    

12/22  -­‐  

12/28  

12/29  -­‐  

1/04  

1/05    -­‐  

1/11  

1/12    -­‐  

1/18  

1/19  -­‐  

1/25  

1/26  -­‐  

2/01  

2/02  -­‐  

2/08  

2/09    -­‐    

2/15  

Reported   100   45   30   46   44   38  

Updated  model   94   91   77   61   45   33   24   18  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Guinea  –  longer  term  forecast  

14

Date   Weekly  forecast  

1/26   45  

2/2   33  

2/9   24  

2/16   18*  

2/23   13*  

3/02   9*  

*  too  small  for  reliable  forecas2ng  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Guinea  Prevalence  

15

Date   People  in  H+I  

1/26   95  

2/2   93  

2/9   90  

2/16   88  

2/23   86  

3/02   83  

3/09   81  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Agent-­‐based  Model  Progress  •  Review:  Sensi2vity  to  compliance  levels  vaccine  campaign  study  

•  Review:  Stepped-­‐Wedge  study  design  being  considered  by  CDC  details  from  Ebola  Modeling  conference  

•  Review:  Analy2c  methods  developed  for  comparison  of  stochas2c  simula2on  results  

•  Update:  Calibra2on  for  SL  updated  •  Update:  Study  design  for  future  outbreak  planning  •  Ongoing:    Stochas2c  ex2nc2on  /  2me  to  zero  

16

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Calibra2on  of  Simulated  Vaccine  Campaigns  

17

0  

5000  

10000  

15000  

20000  

25000  

55  

62  

69  

76  

83  

90  

97  

104  

111  

118  

125  

132  

139  

146  

153  

160  

167  

174  

181  

188  

195  

202  

209  

216  

223  

230  

237  

244  

251  

258  

265  

272  

279  

286  

293  

300  

307  

314  

321  

328  

335  

342  

349  

356  

363  

370  

Model  80%e  30%c    Model  80%e  90%c  Model  50%e  30%c    Model  50%e  90%c    MoH  Data  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on     18

%  Change  in  Infec2ons  Following  Vaccina2on  Beginning  Feb  1  (30k  Doses)  

0.00%  

10.00%  

20.00%  

30.00%  

40.00%  

50.00%  

60.00%  

70.00%  

80.00%  

Baseline  -­‐  replicate  11  

80e_30c  -­‐  replicate  15  

80e_50c  -­‐  replicate  2  

80e_70c  -­‐  replicate  2  

80e_90c  -­‐  replicate  20  

50e_30c  -­‐  replicate  12  

50e_50c  -­‐  replicate  15  

50e_70c  -­‐  replicate  18  

50e_90c  -­‐  replicate  13  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on     19

30k  Doses  –  Percent  Reduc2on  by  Efficacy  and  Compliance  

Compliance  

0.00%  

5.00%  

10.00%  

15.00%  

20.00%  

25.00%  

30.00%  

35.00%  

90%   70%   50%   30%  

80%  Efficacy  

50%  Efficacy  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on     20

30k  Doses  -­‐  Cumula2ve  Infec2ons    using  the  Mean  of  most  relevant  replicates  

   

%  InfecRons  Occurring  Between  Feb-­‐1    and  Apr-­‐1  

 

%  ReducRon      

Compliance    

80%  Efficacy    

50%  Efficacy    

80%  Efficacy    

50%  Efficacy    

90%    

27.54%    

32.38%    

30.55%    

18.34%    

70%    

31.22%    

34.78%    

21.25%    

12.28%    

50%    

32.62%    

35.07%    

17.73%    

11.54%    

30%    

34.88%    

35.83%    

12.03%    

9.62%    

Baseline    

39.65%                

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on     21

Compliance  

300k  Doses  –  Percent  Reduc2on  by  Efficacy  and  Compliance  

0.00%  

5.00%  

10.00%  

15.00%  

20.00%  

25.00%  

30.00%  

35.00%  

90%   70%   50%   30%  

80%  Efficacy  

50%  Efficacy  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on     22

300k  Doses  -­‐  Cumula2ve  Infec2ons  using  the  Mean  of  most  relevant  replicates  

 

   

%  InfecRons  Occurring  Between  Feb-­‐1    and  Apr-­‐1  

 

%  ReducRon  in  Cases  A[er  Feb-­‐1      

Compliance    

80%  Efficacy    

50%  Efficacy    

80%  Efficacy    

50%  Efficacy    

90%    

26.47%    

30.29%    

33.23%    

23.59%    

70%    

29.61%    

32.34%    

25.33%    

18.42%    

50%    

31.04%    

32.41%    

21.71%    

18.24%    

30%    

32.31%    

35.31%    

18.49%    

10.93%    

Baseline    

39.65%                

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Vaccine  Trial  Design  •  Stepped  wedge:    Enroll  and  follow-­‐up  all,  vaccinate  over  2me,  compare  rates  vax  and  no-­‐vax  cohorts  

23

        Weeks  a[er  start  of  trail  Cluster   doses     1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19  1   ~333                                                                              2   ~333                                                                              3   ~333                                                                          4   ~333                                                                      5   ~333                                                                      6   ~333                                                                  7   ~333                                                              8   ~333                                                          9   ~333                                                      10   ~333                                                  11   ~333                                              12   ~333                                          13   ~333                                      14   ~333                                  15   ~333                              16   ~333                          17   ~333                      18   ~333                                                                              

    Vaccinated  but  not  seroconverted  Compare  rates  among  enrolled  but  not  vaccinated  vs.  seroconverted  vaccinees  

    Vaccinated  and  protected       Enrolled  but  not  vaccinated   Blue  box  follow  up  2me  for  analysis  of  efficacy  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Stepped  Wedge  Design  

•  Key  components  – Assume  weeks  have  similar  hazard  of  infec2on  across  clusters  (or  classes  of  clusters)  

– Cox  Propor2onal  Hazards  Risk  can  be  used  to  assess  efficacy  

•  Under  considera2on  for  CDC-­‐run  trial  – Current  assessment  is  its  too  underpowered,  when  there  is  declining  incidence  

– Leaning  towards  a  different  cluster  based  design  

24

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Stochas2c  Simula2ons  

•  CNIMS  simula2ons  include  a  lot  structure  to  capture  the  inherent  stochas2city  of  the  real  world  

25

Distribu2on  of  1000  replicates  of    Liberian  Ebola  epidemics  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Stochas2c  Simula2ons  •  Capturing  this  fundamental  behavior  of  complex  systems  

is  important  –  Used  to  es2mate  bounds  on  “possible  worlds”  –  Provides  rich  distribu2ons  of  outcomes  from  interven2ons  for  sta2s2cal  analysis  

•  Need  to  apply  different  techniques  for  analysis  –  Ques2ons  about  the  outcome  of  ac2ons  given  the  system  is  in  par2cular  state  requires  iden2fica2on  of  individual  realiza2ons  of  the  simula2on  that  fit  “criteria”  or  combines  them  appropriately  

–  Example:  Given  we  have  an  outbreak  like  what  has  happened  in  Sierra  Leone  (to  the  degree  we’ve  been  able  to  observe  it  accurately)  what  would  a  vaccine  campaign  do?    •  Filter  realiza2ons  most  like  observed  data  •  Discount  

26

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Stochas2c  Simula2ons  

•  Bayesian  approach,  analyze  all  replicates,  consider  how  well  observed  fits  in,  use  this  to  es2mate  uncertainty  and  assign  weights  for  outcome  analysis  

27

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Agent-­‐based  Calibra2on  •  Updated  for  Sierra  Leone  

28

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Incorpora2ng  Uncertainty  

29

•  Different  “fi.ed”  parameter  sets  yield  different  levels  of  stochas2c  variance  

•  Different  “fi.ed”  parameter  sets  yield  different  levels  of  stochas2c  variance  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Ebola  Outbreak  Planning  

•  What  levels  of  vaccine  are  needed  and  when  to  prevent  future  outbreaks?  

•  Assump2ons  – One  of  the  vaccine  candidates  will  be  effec2ve  and  safe  enough  to  be  used  

– Current  outbreak  is  a  “worst  case”  –  Ini2al  control  is  a.empted  with  classic  isola2on  and  treatment  

30

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Planning  Study  Design  

•  Scenario:    – Use  models  fit  to  current  outbreaks  in  all  3  countries  

•  Interven2ons:  –  Vaccine  doses:  April  1K,  July  30K  (more  /  less?)  

•  Metrics:  – How  much  is  needed  to  stop  outbreak  –  Explore  sensi2vi2es  using  a  ring-­‐vaccina2on  strategy  

•  Case  iden2fica2on  •  Efficacy  of  vaccine  •  Contact  finding  /  compliance  

31

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on     32

•  Allows  users  to  compare  and  filter  on  mul2ple  epicurves  

   •  Visualizes  both  incidence  

data  and  cumula2ve  data  along  with  uncertainty  bounds  

 

Compare  forecasts  in  EpiViewer  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

EpiViewer  –  data  filter  and  features  

33

•  Easy  upload  and  download  mechanic  for  acquiring  and  adding  plot  data  

   •  Data  filter  plots  epicurves  

based  on:  region,  category  of  curves,  surveillance  data,  forecasts,  model  output,  name  of  the  curves  

•  Zoomable  date  selec2on  for  specific  ranges  on  concurrent  plots  

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

EpiViewer  –  Animated  plots  

•  Added  anima2on  mode  for  be.er  visual  comparison  

34