modeling the ebola outbreak in west africa, november 18th 2014 update

39
DRAFT – Not for a.ribu2on or distribu2on Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, 2014 November 18 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 #14122

Upload: ndsslvt

Post on 13-Aug-2015

28 views

Category:

Science


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Modeling  the  Ebola    Outbreak  in  West  Africa,  2014  

November  18th  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  #14-­‐122  

Page 2: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

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,  Kathy  Laskowski,  Bill  Marmagas    Students:  S.M.  Arifuzzaman,  Aditya  Agashe,  Vivek  Akupatni,  Caitlin  Rivers,  Pyrros  Telionis,  Jessie  Gunter,  Elisabeth  Musser,  James  Schli.,  Youssef  Jemia,  Margaret  Carolan,  Bryan  Kaperick,  Warner  Rose,  Kara  Harrison          

2

Page 3: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Currently  Used  Data  

●  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      1919  1166    Liberia      6909  2836    Sierra  Leone    5586  1510    Total      14,436  5520    

     

     

       

 

Page 4: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  –  Case  Loca2ons  

4

Page 5: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  –  County  Case  Incidence  

5

Page 6: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  Forecast  –  Original  Model  

6

8/9/08  to  

9/14  

9/15  to  

9/21  

9/22  to  

9/28  

9/29  to  

10/05  

10/06  to  

10/12  

10/13  to  

10/19  

10/20  to  

10/26  

10/27  to  

11/02  

11/03  to  

11/09  

Reported   639   560   416   261   298   446   1604*   227   298  

Forecast  (classic  model)  

697   927   1232   1636   2172   2883   3825   5070   6741  

Reproduc2ve  Number  Community  1.3    Hospital    0.4  Funeral    0.5    Overall    2.2    

52%  of  Infected  are  hospitalized  

*  Repor2ng  change  

Page 7: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Learning  from  Lofa  -­‐  Summary  

7

Model  fit  to  Lofa  case  with  a  change  in  behaviors  resul2ng  in  reduced  transmission  sta2ng  mid-­‐Aug  (blue),  compared  with  observed  data  (green)  

Fit  reduc2on  seen  in  Lofa  

Model  fit  to  Liberia  case  with  a  change  in  behaviors  resul2ng  in  reduced  transmission  sta2ng  Sept  21st  (green),  compared  with  observed  data  (blue)  

Apply  to  Liberia  

Page 8: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Liberia  Forecast  –  Prelim  New  Model  

8

9/16  to  

9/21  

9/22  to  

9/28  

9/29  to  

10/05  

10/06  to  

10/12  

10/13  to  

10/19  

10/20  to  

10/26  

10/27  to  

11/02  

11/03  to  

11/09  

11/10  to  

11/16  

11/17  to  

11/23  

Reported   560   416   261   298   446   1604*   227   298   -­‐-­‐   -­‐-­‐  

Reported    back  log  adjusted  

396   251   245   490  

New  model   757   603   541   580   598   608   617   625   633   638  

Reproduc2ve  Number  Community  0.5    Hospital    0.2  Funeral    0.2    Overall    1.0    

Page 9: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Prevalence  of  Cases  –  New  model  

9

Date   People  in  H+I    9/7/14   523  9/14/14   695  9/20/14   887  9/27/14   1051  10/4/14   1119  10/11/14   1152  10/18/14   1174  10/25/14   1192  11/1/14   1208  11/8/14   1224  11/15/14   1239  11/22/14   1255  11/29/14   1271  12/6/14   1288  12/13/14   1304  12/20/14   1320  12/27/14   1337  

Page 10: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Sierra  Leone  –  County  Data  

10

Page 11: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Sierra  Leone  –  Contact  A.ack  Rate  

11

Page 12: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Sierra  Leone  Forecasts  

12

9/6  to  

9/14  

9/14  to  

9/21  

9/22  to  

9/28  

9/29  to    

10/05  

10/06  to  

10/12  

10/13  to  

10/19  

10/20  to  

10/26  

10/27    to  

11/02  

11/03    to  

11/09  

11/10  to  

11/16  

11/17  to  

11/23  

Reported   246   285   377   467   468   454   494   486   580   -­‐-­‐   -­‐-­‐  

Forecast   256   312   380   464   566   690   841   1025   1250   1523   1856  

35%  of  cases  are  hospitalized  

ReproducPve  Number  Community  1.20    Hospital    0.29    Funeral    0.15    Overall    1.63      

Page 13: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Prevalence  in  SL  

13

10/6/14   456.6  10/13/14   556.7  10/20/14   678.8  10/27/14   827.5  11/3/14   1008.8  11/10/14   1229.8  11/17/14   1498.9  11/24/14   1826.8  12/1/14   2226.1  12/8/14   2712.2  12/15/14   3303.7  12/22/14   4023.3  12/29/14   4898.1  

Page 14: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Agent-­‐based  Model  Progress  

•  Synthe2c  Informa2on  Viewer  for  Ebola  affected  Countries  – Assist  in  troubleshoo2ng  simula2on  results  – Aid  in  calibra2on  issues  

•  Calibra2on  –  Rainy  Season  altera2on  •  Considera2on  of  Mali  and  Senegal  

14

Page 15: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Synthe2c  Informa2on  Viewer  

15

Interface  for  exploring  details  of  the  popula2on  and  their  ac2vi2es  

Page 16: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Synthe2c  Informa2on  Viewer  

16

Zoom  down  to  the  household  level  to  see  rela2ve  densi2es  and  selected  details  

Page 17: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Synthe2c  Informa2on  Viewer  

17

Zoom  down  to  the  individual  and  look  at  their  ac2vity  pa.ern  

Page 18: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Calibra2on  –  Previous  Steps  

•  Disease  Model  representa2on  •  Flowminder  data  used  for  travel  •  Ini2alize  simula2on  in  Lofa  •  Road  map  with  travel  status  used  for  prelim  es2mate  of  travel  altera2on  

18

    Bomi   Bong   Gbarpolu   Grand  Bassa   Grand  Cape  Mount   Grand  Gedeh   Grand  Kru   Lofa   Margibi   Maryland   Montserrado   Nimba   River  Cess   River  Gee   Sinoe   Green   1  Bomi       0.55   0.5   1   0.5   0.425   0.425   0.1   1   0.425   1   0.55   0.1   0.425   0.3   Red   0.5  

Bong   0.55       0.3   0.55   0.3   1   1   1   1   1   1   1   0.1   1   0.366666667   Black   0.1  Gbarpolu   0.5   0.3       0.5   0.5   0.425   0.425   0.1   0.5   0.425   0.5   0.3   0.1   0.425   0.3  

Grand  Bassa   1   0.55   0.5       0.5   0.3   0.3   0.4   1   0.3   1   0.55   0.1   0.3   0.3  Based  on  traveling  from  county  capital  to  county  capital  

Grand  Cape  Mount   0.5   0.3   0.5   0.5       0.3   0.3   0.3   0.5   0.3   0.5   0.233333333   0.1   0.3   0.3   Based  on  17SEPT2014  data  Grand  Gedeh   0.425   1   0.425   0.3   0.3       1   1   0.55   1   0.55   1   0.1   1   0.5  

Grand  Kru   0.425   1   0.425   0.3   0.3   1       1   0.533333333   1   0.533333333   1   0.1   1   0.5  

Lofa   0.1   1   0.1   0.4   0.3   1   1       0.55   1   0.55   1   0.1   1   0.214285714  

Margibi   1   1   0.5   1   0.5   0.55   0.533333333   0.55       0.533333333   1   1   0.1   0.533333333   0.3  

Maryland   0.425   1   0.425   0.3   0.3   1   1   1   0.533333333       0.533333333   1   0.1   1   0.5  

Montserrado   1   1   0.5   1   0.5   0.55   0.533333333   0.55   1   0.533333333       0.55   0.1   0.533333333   0.3  

Nimba   0.55   1   0.3   0.55   0.233333333   1   1   1   1   1   0.55       0.1   1   0.233333333  River  Cess   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1       0.1   0.1  

River  Gee   0.425   1   0.425   0.3   0.3   1   1   1   0.533333333   1   0.533333333   1   0.1       0.5  

Sinoe   0.3   0.366666667   0.3   0.3   0.3   0.5   0.5  0.2142857

14   0.3   0.5   0.3   0.233333333   0.1   0.5      

Page 19: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Calibra2on  –  Spa2al  Spread  Simula2on  

19

Page 20: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Calibra2on  –  Spa2al  Spread  MoH  

20

Page 21: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Simula2on  Comparison  –  spread  from  Lofa    

21

Cases  per  100k  popula2on  

Mean  simula2on  Normal  Travel   Ministry  of  Health  Data  

Page 22: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Simula2on  Comparison  –  Rainy  Season  Travel  

22

Cases  per  100k  popula2on  

Mean  simula2on  Rainy  Travel   Ministry  of  Health  Data  

Page 23: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Simula2on  Comparison  –  spread  from  Lofa  

23

Total  Cases  

Single  Simula2on  result  –  Normal  Travel   Ministry  of  Health  Data  

Page 24: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Simula2on  Comparison  –  spread  from  Lofa  

24

Total  Cases  

Single  Simula2on  result  –  Rainy  Travel   Ministry  of  Health  Data  

Page 25: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Calibra2on  Next  Steps  

•  Determine  “right”  2me  of  rainy  travel    – Pursue  more  real-­‐2me  and  comprehensive  data  

•  Combine  all  condi2ons  and  a.empt  calibra2on  – Lofa-­‐based  introduc2on  – Lofa  and  other  county  temporal  changes  in  txm  – Regional  travel  –  affected  by  rainy  season  

25

Page 26: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Agent-­‐based  Next  Steps  

•  Planned  Experiments:  –  Impact  of  hospitals  with  geo-­‐spa2al  disease  

•  Study  design  /  implementa2on  under  construc2on  –  Vaccina2on  campaign  effec2veness  

•  Framework  under  development  –  Es2ma2on  of  surveillance  coverage  requirements  

•  Simulate  zoono2c  and  human  introduc2on  scenarios,  look  at  “gold  standard”  transmission  trees  with  varying  level  of  completeness  to  represent  different  levels  of  surveillance  

•  Address  ques2on  of  needed  resources  for  eventual  final  stages  of  “stamp  out”  

26

Page 27: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

APPENDIX  Suppor2ng  material  describing  model  structure,  and  addi2onal  results  

27

Page 28: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Legrand  et  al.  Model  Descrip2on  

Exposednot infectious

InfectiousSymptomatic

RemovedRecovered and immune

or dead and buried

Susceptible

HospitalizedInfectious

FuneralInfectious

Legrand,  J,  R  F  Grais,  P  Y  Boelle,  A  J  Valleron,  and  A  Flahault.  “Understanding  the  Dynamics  of  Ebola  Epidemics”  Epidemiology  and  Infec1on  135  (4).  2007.    Cambridge  University  Press:  610–21.    doi:10.1017/S0950268806007217.  

28

Page 29: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Compartmental  Model  

•  Extension  of  model  proposed  by  Legrand  et  al.  Legrand,  J,  R  F  Grais,  P  Y  Boelle,  A  J  Valleron,  and  A  Flahault.  “Understanding  the  Dynamics  of  Ebola  Epidemics”  Epidemiology  and  Infec1on  135  (4).  2007.    Cambridge  University  Press:  610–21.    doi:10.1017/S0950268806007217.  

29

Page 30: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Legrand  et  al.  Approach  

•  Behavioral  changes  to  reduce  transmissibili2es  at  specified  days  

•  Stochas2c  implementa2on  fit  to  two  historical  outbreaks    –  Kikwit,  DRC,  1995    – Gulu,  Uganda,  2000  

•  Finds  two  different  “types”  of  outbreaks  –  Community  vs.  Funeral  driven  outbreaks  

30

Page 31: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Parameters  of  two  historical  outbreaks  

31

Page 32: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

NDSSL  Extensions  to  Legrand  Model  

•  Mul2ple  stages  of  behavioral  change  possible  during  this  prolonged  outbreak  

•  Op2miza2on  of  fit  through  automated  method  

•  Experiment:  – Explore  “degree”  of  fit  using  the  two  different  outbreak  types  for  each  country  in  current  outbreak  

32

Page 33: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Op2mized  Fit  Process  •  Parameters  to  explored  selected  –  Diag_rate,  beta_I,  beta_H,  beta_F,  gamma_I,  gamma_D,  gamma_F,  gamma_H  

–  Ini2al  values  based  on  two  historical  outbreak  •  Op2miza2on  rou2ne  

–  Runs  model  with  various  permuta2ons  of  parameters  

–  Output  compared  to  observed  case  count  

–  Algorithm  chooses  combina2ons  that  minimize  the  difference  between  observed  case  counts  and  model  outputs,  selects  “best”  one  

33

Page 34: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Fi.ed  Model  Caveats  

•  Assump2ons:  –  Behavioral  changes  effect  each  transmission  route  similarly  

– Mixing  occurs  differently  for  each  of  the  three  compartments  but  uniformly  within  

•  These  models  are  likely  “overfi.ed”  – Many  combos  of  parameters  will  fit  the  same  curve  – Guided  by  knowledge  of  the  outbreak  and  addi2onal  data  sources  to  keep  parameters  plausible  

–  Structure  of  the  model  is  supported  

34

Page 35: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Model  parameters  

35

Sierra&Leonealpha 0.1beta_F 0.111104beta_H 0.079541beta_I 0.128054dx 0.196928gamma_I 0.05gamma_d 0.096332gamma_f 0.222274gamma_h 0.242567delta_1 0.75delta_2 0.75

Liberiaalpha 0.083beta_F 0.489256beta_H 0.062036beta_I 0.1595dx 0.2gamma_I 0.066667gamma_d 0.075121gamma_f 0.496443gamma_h 0.308899delta_1 0.5delta_2 0.5

All  Countries  Combined  

Page 36: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Learning  from  Lofa  

36

Model  fit  to  Lofa  case  series  up  Aug  18th  (green)  then  from  Aug  19  –  Oct  21  (blue),  compared  with  real  data  (red)  

Page 37: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Learning  from  Lofa  

37

Model  fit  to  Lofa  case  with  a  change  in  behaviors  resul2ng  in  reduced  transmission  sta2ng  mid-­‐Aug  (blue),  compared  with  observed  data  (green)  

Page 38: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Learning  from  Lofa  

38

Model  fit  to  Liberian  case  data  up  to  Sept  20th  (current  model  in  blue),  reduc2on  in  transmissions  observed  in  Lofa  applied  from  Sept  21st  on  (green),  and  observed  cases  (red)  

Page 39: Modeling the Ebola Outbreak in West Africa, November 18th 2014 update

DRAFT  –  Not  for  a.ribu2on  or  distribu2on    

Learning  from  Lofa  

39

Model  fit  to  Liberia  case  with  a  change  in  behaviors  resul2ng  in  reduced  transmission  sta2ng  Sept  21st  (green),  compared  with  observed  data  (blue)