基于大数据分析的人感染禽流感风险预警模型研究

20220121

卫生和社会工作

1. 活禽及禽类产品运输网络分析 我们首先结合运输学上经典的无约束重力模型，使用社会经济数据和地理信息数据模拟重建了中国省际平均每年的活禽及禽产品的运输网络，对该网络进行运输流数据分布特征和中心性度量的分析。研究结果表明：运输网络中的重要省份和调入、调出量大的省份，大致与活禽、禽蛋和禽肉的国内流通情况符合：家禽及禽产品主要从北方和中部生产省份向周边直辖市和南方消费区流动，江苏省和安徽省可能是中转和分流的中间节点。
2. 我国家禽中H5N1禽流感病毒的时空进化规律研究 我们从美国国家生物技术信息中心GenBank数据库中获取19962015年中国家禽中H5N1禽流感病毒HA基因序列，进行预处理和随机抽样。后基于分子钟假设，使用贝叶斯系统发生推断法，重建了时间进化树，得到H5N1高致病性禽流感病毒时间上的进化关系的推断。基于所得的时间进化树，我们首先确定了H5N1高致病性禽流感病毒有一定的地理分布结构性，即有相同采样地点的毒株倾向于聚类到一起，而不是完全随机分布的。然后使用系统发生生物地理学方法，推断非随机分布的采样地点的离散状态转换历史。研究结果表明：H5N1高致病性禽流感病毒大约在19951996年出现在国内的家禽中，之后以4.1E-3~ 4.9E-3的速率变异，在2003年和2006年发生过两次暴发。而在空间上形成了以广东为辐射中心，邻近省份间连续传播的模式。
3. 我国高致病性禽流感H5N1空间扩散的决定因素探索 将活禽、禽肉、禽蛋流动网络，地理环境因素，社会经济因素，均作为HPAIH5N1病毒的空间扩散速率函数的变量，使用广义线性模型（GLM）和贝叶斯随机搜索变量(BSSVS)选择方法，定量化这一系列变量的贡献，探索了家禽运输网络与其他社会经济变量、地理环境变量对H5N1高致病性禽流感病毒传播的影响。研究结果表明：国道运输网络是国内家禽中H5N1高致病性禽流感病毒在各省间传播的关键因素，HPAI H5N1病毒的空间扩散的决定性因素是公路网的最短距离矩阵组成的道路网络。由网络特性可知，活禽及禽产品的流动网络是非连续的跳跃传播网络，网络中的边的权重相加无意义；而道路网络是一个完全的（所有边都在的）连续的、连通的传播网络，网络中任意两点的连接边均是两点间的最短路径（不经过任何点，或经过更近的节点以到达目的地点）。所以这个结果也验证了家禽中HPAI H5N1病毒是连续传播的。
4. 陕西省H7N9高致病性禽流感病毒变异特征及溯源本项目组与陕西省疾病预防控制中心、牛津大学动物学系等合作团队，对人感染H7N9禽流感病毒的5个病例进行了病毒采样，并且针对陕西省多个市的活禽市场和农场进行了家禽的病毒采样，对采集的500多个样本进行病毒分离和全基因组基因测序。通过对其基因水平上的变异特征进行分析，我们确认HA切割位点处的氨基酸插入和变异情况，从而确认我们首次在中国西部分离了高致病性甲型H7N9禽流感病毒。通过使用基于最大似然法的系统发生分析方法估算进化树，我们对其进化历史进行了分析，发现：陕西的高致病性甲型H7N9禽流感病毒HA序列与其他省份的高致病性甲型禽流感毒株HA序列高度形似，说明陕西的高致病性变异株起源于广东，可能通过其他省份的中间传播；而陕西的低致病性甲型 H7N9禽流感病毒与我国东部、中部、南部省份采样得到的病毒有遗传相似性，说明陕西的低致病性H7N9病毒可能起源于我国东部；另外，陕西各城市的环境毒株和感染人的毒株有遗传相似性，说明陕西各城市感染人的H7N9病毒可能来源于当地的活禽市场或农场。本项目取得的研究成果既解释了甲型H5N1、H7N9的传播动力学及关键影响因素，又可及时应用到新发传染病疫情防控中，对传播控制措施进行定量化评价，这对于有效制定传染病控制措施、阻断疾病传播具有重要的实际意义。
5. 预警模型应用于抗击新冠肺炎 北京师范大学田怀玉教授团队与北京市疾病预防控制中心等多家单位开展联合攻关，在最短时间内建立了新冠肺炎传播风险预测预警技术平台，对疫情特征进行分析，定量评估防控管制对于疫情进一步传播的作用，系列研究获得了中央政治局、国务院、北京市委的重要批示，成果入选美国科学促进会的本科、高中教材，同时，该团队与科兴中维开展合作对我国疫苗接种策略开展定量研究并应用于北京冬奥会，对开幕式的免疫策略与新冠肺炎传播风险进行定量分析，为2022北京冬奥会的顺利进行提供保障。

本研究主要对中国家禽中H5N1、H5N6、H7N9三种主要流行的亚型的禽流感病毒的进化和传播动态进行分析，并评估活禽贸易和野鸟迁徙在其中的作用。为防控H5N1禽流感的策略重心转向目前国内缺乏监管和生物安全措施的活禽及禽产品运输链、活禽及禽产品贸易链提供理论依据，能够嵌入疫情预警系统，为旅游、餐饮、娱乐、交通等相关行业的平稳发展提供风险预警和经营支持。 为保障科技成果能够在适当领域发挥作用，并最大限度缓解相关行业受禽流感疫情的影响。我方希望拟合作方有能力和基础同时在基因测序、活禽贸易与野鸟迁徙数据平台开发维护上提供支持并投入资金，并且是在 医药制造业或软件和信息技术服务业或科学研究和技术服务业具备相应资质的大中型企业。具体预期如下。

1. 我们报道了在中国的国家尺度的活禽贸易社团结构以及它和3种主要的家禽中流行的禽流感病毒谱系的传播的关联。更多关于野鸟迁徙网络、家禽贸易网络的跟踪数据将为防控策略的制定和发展提供更具体的指导。因此，我们希望合作方具有：①家禽贸易网络的调研资质，以改善现有的重力模型模拟网络贸易的方法；②具有小型化GPS设备设计能力或采购能力和使用小型化GPS设备跟踪野生候鸟的经验，以收集野鸟迁徙数据，完善禽流感风险预测模型。
2. 现有的禽流感病毒数据、家禽贸易数据、野鸟迁徙数据，从多角度描述了病毒的传播和进化，与此同时，这些数据需要不断更新，以时刻关注环境变化和病毒进化带来的新的风险，这需要建立完善的数据仓库和自动化数据流处理技术，开发大数据框架下的模型。我们希望合作方在多源数据库建设、运维方面具备一定基础，并有能力开发基于Spark 或 Flink 大数据流计算引擎的模型。

可国（境）内外转让

本项目整合多来源监测数据，通过大数据技术，串联多个相关学科，构建人感染禽流感风险预警模型平台，为预防和控制禽流感在人群中的传播及可能引起的流感大流行提供科学依据。本项目的研究成果不仅有助于推广应用到其他新发、再发传染病上，而且将产生明显的技术、经济和社会效益，为全国创新中心建设提供重要支撑保证。 转化预期效益包括：

1. 社会效益：北京已经获得2022年冬季奥运会的主办权，需要特别注意的是，冬季是人感染禽流感病毒的高发季节，通过本项目为期三年的传播规律与预警模型研究，将加强禽流感发生流行的预警能力,保障2022年奥运会和其它各种大型活动的顺利进行。基于模型预测风险区域，并精准施加对策，提高疫情防控效率，因而对于建设全国科技创新中心具有明显的社会效益。
2. 经济效益：掌握禽流感病毒的传播网络与地理扩散规律，及时作出预测和预警，降低人群感染概率，对提高流感大流行防控能力、对保障国家安全、改善民生、社会稳定、促进社会可持续具有重要作用，从而间接地促进旅游、餐饮、娱乐、交通等相关行业的平稳发展。同时，多家单位形成优势互补和学科交叉，不仅有利于达到预期结果，充分利用人才资源、技术资源、数据资源，从而提高系统效益，节约国家和部门的经费。

北京市自然科学基金杰出青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

高致病性禽流感的持续性变异、传播造成其在我国形成大面积流行和局部地区的长时间流行，对我国的家禽产业造成了巨大的打击，并对公共健康产生了极大的威胁。本研究对已有研究做了全面的调查，发现家禽的生产、运输和贸易链与H5N1禽流感的传播风险存在显著关联，但是由于国内家禽运输贸易数据的缺失、传统流行病学研究方法的局限，H5N1高致病性禽流感病毒在我国家禽中传播、进化的时空规律和与家禽贸易运输的关系仍未被掌握。所以本研究着眼于填补这一认识空白，在收集整理中国历年H5N1高致病性禽流感病毒的HA基因序列、家禽生产与运输相关的地理环境条件数据和社会经济统计数据的基础上，综合运用数学建模、空间分析技术、生物信息学等方法，对中国各省间年度的H5N1高致病性禽流感病毒进化和扩散的时空动态进行研究，并取得了以下研究成果：1）明确了中国主要候鸟迁徙路线、家禽运输网络与H5N1禽流感的传播关系；2）确定了H5N1高致病性禽流感病毒的地理分布结构性，发现了以广东为辐射中心，邻近省份间连续传播的模式；3）识别国道运输网络为国内家禽中H5N1高致病性禽流感病毒在各省间传播过程中的关键因素，国道运输网络应为H5N1网络传播的关键节点；4）将H5N1高致病性禽流感病毒研究成果推广应用到其他亚型禽流感病毒，发现H7N9型禽流感在我国出现向西迁移的趋势，陕西各城市H7N9病毒感染来源可能为当地的活禽市场或农场。项目成果为认识H5N1禽流感病毒扩散规律，高效开展H5N1及其他亚型高致病性禽流感传播的控制工作提供了重要依据。