Modeling the spatial and temporal heterogeneity in malaria transmission and control in urban Ghana

Abstract

In West Africa malaria is an endemic disease and a leading cause of mortality and morbidity. Over the years advances in mathematical modeling have improved understanding of the disease’s operational mechanisms. However, the heterogeneity in malaria epidemics as well as the impact of human behavior toward the adoption of protective measures, such as the use of the insecticide-treated bed nets (ITNs), have not yet been sufficiently documented using a mechanistic modeling approach. <br /> In this study, i) the spatial and temporal heterogeneity in the transmission of malaria at a fine-scale was characterized while identifying the prevailing conditions of association between malaria transmission and urbanization; ii) the main drivers of heterogeneity in the transmission and control of malaria in urban areas were identified by revealing the interplay between the drivers; iii) the efficiency of the insecticide-treated bed-net rolled out in Accra was modeled by accounting for the spatial heterogeneity of the uptake behavior of communities. <br /> The characterization of the epidemic in urban settings was done using statistical modeling approaches. A participatory system thinking approach was used, combined with network analysis to assess the key covariates that contribute to the persistence of malaria in urban settings. A mathematical framework that incorporated the empirical findings was developed to show the impact of human behavior on the persistence of malaria. Malaria incidence proved to be highly heterogeneous over spaces, seasons, and age. Beyond, the association between malaria and urbanization is not always linear and in urban settings, malaria can be higher than in rural areas. Additional sources of heterogeneity in urban malaria epidemics are vegetation cover and population density. The denser both the population and the vegetation are, the higher is malaria incidence. Moreover, malaria transmission in big cities such as Accra and Kumasi follows a diffusion process, with the center of the cities having the highest incidences. <br /> On the other hand, 45 interactive drivers of the transmission and persistence of malaria in urban settings were recorded. Among this set of determinants, human behavior, revealed by the network analysis, turned out to be a major contributing factor that hinders the control of malaria in urban settings. No evidence of a relationship between uptake and ownership of ITN in the communities surveyed in Accra was found. Several reasons explain the reluctance of ITN adoption such as the decay of the nets. The model demonstrated that the infectiousness of malaria is underestimated when space and human behavior heterogeneities are not accounted for. <br /> Therefore particular emphasis should be given to the education of communities. This will foster the uptake of the ongoing non-pharmaceutical measure and allow reducing the malaria burden in cities.

<strong>Modellierung der räumlichen und zeitlichen heterogenität der malariaübertragung und -kontrolle im urbanen Ghana</strong> <br /> Malaria ist eine endemische Krankheit in Westafrika und dort eine Hauptursache für Mortalität und Morbidität. Im Laufe der Jahre haben Fortschritte in der mathematischen Modellierung das Verständnis von funktionellen Mechanismen dieser Krankheit verbessert. Die Heterogenität bei Malaria-Epidemien sowie der Einfluss des menschlichen Verhaltens auf die Akzeptanz und Annahme von Schutzmaßnahmen, wie zum Beispiel dem Einsatz von mit Insektiziden behandelten Moskitonetzen, wurden jedoch bisher nicht ausreichend mittels eines mechanistischen Modellierungsansatzes dokumentiert.<br /> In der vorgelegten Arbeit wurden i) die räumliche und zeitliche Heterogenität bei der Übertragung von Malaria auf einem feinen Maßstab charakterisiert und gleichzeitig die vorherrschenden Bedingungen der Assoziation zwischen Malariaübertragung und Urbanisierung identifiziert; ii) die Haupttreiber der Heterogenität bei der Übertragung und Kontrolle von Malaria in städtischen Gebieten erkannt, indem das Zusammenspiel zwischen den Treibern aufgezeigt wurde; iii) die Effizienz der mit Insektiziden behandelten Moskitonetze in Accra unter Berücksichtigung der räumlichen Heterogenität des Aufnahmeverhaltens der Gemeinden modelliert.<br /> Die Charakterisierung der Epidemie in städtischen Umgebungen erfolgte mit statistischen Modellierungsansätzen. Ein partizipativer System-Ansatz wurde mit einer Netzwerkanalyse kombiniert, um die wichtigsten Kovarianten zu bewerten, die zur Persistenz von Malaria in städtischen Umgebungen beitragen. Des Weiteren wurde ein mathematischer Rahmen unter Einbezug der empirischen Ergebnissen entwickelt, um den Einfluss menschlichen Verhaltens auf die Persistenz von Malaria aufzuzeigen.<br /> Die Malaria-Inzidenz zeigte eine hohe Heterogenität in Bezug auf Raum, Jahreszeit und Alter der betroffenen Personen. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass der Zusammenhang zwischen Malaria und Urbanisierung nicht immer linear ist und Malaria in städtischen Umgebungen höher sein kann als in ländlichen Gebieten. Weitere Ursachen der Heterogenität bei urbanen Malaria-Epidemien sind Vegetationsbedeckung und Bevölkerungsdichte. Je dichter die Bevölkerung und die Vegetation, desto höher ist die Malaria-Inzidenz. Die Malariaübertragung in Großstädten wie Accra und Kumasi folgt einem Diffusionsprozess, wobei die inneren Bereiche der Städte die höchsten Inzidenzen aufweisen.<br /> Insgesamt konnten 45 interaktive Treiber für die Übertragung und Persistenz von Malaria in städtischen Gebieten aufgezeigt werden. Menschliches Verhalten war im Zuge der Netzwerkanalyse ein wichtiger Faktor, der die Malariabekämpfung in städtischen Umgebungen erschwert.<br /> Im Rahmen der Befragungen von unterschiedlichen Gemeinden in Accra ergaben sich keine Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen der Akzeptanz und dem Besitz von Bettnetzen. Mehrere Gründe erklären die Zurückhaltung bei der Einführung dieser, wie zum Beispiel der oftmals schnelle Verschleiß der Netze. Das mathematische Modell zeigte, dass die Infektiosität von Malaria unterschätzt wird, wenn Heterogenität bezüglich Raum und menschlichen Verhaltens nicht berücksichtigt wird.<br /> Die Ergebnisse dieser Studie unterstreicht die Bedeutung von zielgerichteter Aufklärung von betroffenen Gemeinden. Nur so kann eine verbesserte Akzeptanz von nicht-pharmazeutischen Maßnahmen zur Malariaprävention erreicht werden, was eine Verringerung der Malariabelastung in den Städten ermöglichen würde.