15.2: Епідеміологія

Область епідеміології стосується географічного розподілу та термінів виникнення інфекційних захворювань та того, як вони передаються та підтримуються в природі, з метою розпізнавання та контролю спалахів. Наука епідеміології включає етіологію (вивчення причин захворювання) і дослідження передачі хвороби (механізмів, за допомогою яких відбувається поширення захворювання). Таким чином, епідеміологи - це вчені, які вивчають причини та закономірності захворювань людини, що передбачає вивчення статистики для виявлення загроз здоров'ю та рекомендації стратегій зменшення цих загроз.

Робота епідеміолога Аліси Ванг висвітлена в відео нижче. Хоча багато прикладів на цій сторінці зосереджені на інфекційних захворюваннях (які є наслідком біологічних небезпек), епідеміологи також можуть вивчати неінфекційні захворювання (такі як отруєння або ожиріння). Текст в кінці відео говорить: «Ви CDC? Для отримання додаткової інформації про можливості працевлаштування в CDC, будь ласка, відвідайте: jobs.cdc.gov».

Історія епідеміології

Дослідження лікарів і дослідників 19 століття, таких як Джон Сноу, Флоренс Найтінгейл, Ігнац Земмельвейс, Джозеф Лістер, Роберт Кох, Луї Пастер та інші посіяли насіння сучасної епідеміології.

Джон Сноу (малюнок\(\PageIndex{a}\)) був британським лікарем, відомим як батько епідеміології для визначення джерела епідемії холери на Броад-стріт 1854 року в Лондоні. На підставі спостережень, які він зробив під час попередньої спалаху холери (1848—1849), Сноу запропонував, щоб холера поширювалася фекально-оральним шляхом передачі і що мікроб був інфекційним агентом. Він досліджував епідемію холери 1854 року двома способами. Спочатку, підозрюючи, що забруднена вода була джерелом епідемії, Сноу визначив джерело води для заражених. Він виявив високу частоту випадків холери серед осіб, які отримували свою воду з річки Темзи нижче за течією від Лондона. Ця вода містила відходи та стічні води з Лондона та населених пунктів вище за течією. Він також зазначив, що працівники пивоварні не заразилися холерою, і під час розслідування виявили, що власники забезпечували працівників пивом для пиття та заявили, що вони, швидше за все, не п'ють воду. По-друге, він також ретельно відображає захворюваність на холеру і знайшов високу частоту серед тих людей, які використовують певний водяний насос, розташований на Брод-стріт. У відповідь на пораду Сноу місцеві чиновники зняли ручку насоса, що призвело до стримування епідемії холери на Брод-стріт. Власний акаунт Джона Сноу про його творчість має додаткові посилання та інформацію.

Ілюстрація\(\PageIndex{a}\): (а) Джон Сноу (1813—1858), британський лікар і батько епідеміології. (b) Детальне картографування захворюваності на холеру Сноу призвело до виявлення забрудненого водяного насоса на Брод-стріт (Червона площа), відповідальний за епідемію холери 1854 року. (кредит a: модифікація роботи «Rsabbatini» /Wikimedia Commons)

Робота Сноу являє собою раннє епідеміологічне дослідження, і це призвело до першої відомої реакції громадського здоров'я на епідемію. Ретельні методи відстеження випадків Сноу зараз є звичайною практикою при вивченні спалахів захворювань та асоціації нових захворювань з їх причинами. Його робота ще більше проливає світло на антисанітарні практики стічних вод та наслідки скидання відходів у Темзі. Крім того, його робота підтримувала мікробну теорію хвороби, яка стверджувала, що хвороба може передаватися через забруднені предмети, включаючи воду, забруднену фекальними речовинами.

Робота Флоренс Найтінгейл - ще один приклад раннього епідеміологічного дослідження. У 1854 році Соловей входив до складу контингенту медсестер, відправлених британськими військовими для догляду за пораненими солдатами під час Кримської війни. Соловей вів прискіпливі записи щодо причин хвороб і смерті під час війни. Її діловодство було фундаментальним завданням того, що згодом стане наукою епідеміології. Її аналіз зібраних нею даних був опублікований в 1858 році. У цій книзі вона представила щомісячні частотні дані про причини смерті в клиновій діаграмі гістограми (малюнок\(\PageIndex{b}\)). Це графічне подання даних, незвичних на той час, потужно проілюструвало, що переважна більшість жертв під час війни сталася не через поранення, отримані в дії, а через те, що Соловей вважав інфекційними захворюваннями, які можна запобігти. Часто ці захворювання виникали через погану санітарію і відсутність доступу до лікарняних установ. Висновки Солов'я призвели до багатьох реформ у британській військовій системі медичної допомоги. Дізнайтеся більше про кліноподібну діаграму Солов'я тут.

Малюнок\(\PageIndex{b}\): (а) Флоренс Найтінгейл повідомила про дані, які вона зібрала в якості медсестри в Кримській війні. (б) Діаграма Солов'я показує кількість загиблих у солдатів за місяцями конфлікту з різних причин. Загальна кількість загиблих в конкретному місяці дорівнює площі клину за цей місяць. Кольорові ділянки клина представляють різні причини смерті: рани (рожеві), інфекційні захворювання (сірі) та всі інші причини (коричневі).

Джозеф Лістер надав ранні епідеміологічні докази, що призводять до належної практики охорони здоров'я в клініках та лікарнях. Більшість лікарів не мили руки між відвідуваннями пацієнтів або чистили і стерилізували свої хірургічні інструменти. Лістер, однак, виявив дезінфікуючі властивості карболової кислоти, також відомої як фенол. Він запровадив кілька протоколів дезінфекції, які різко знизили рівень післяопераційного зараження. Він вимагав, щоб хірурги, які працювали у нього, використовували 5% розчин карболової кислоти для очищення своїх хірургічних інструментів між пацієнтами, і навіть зайшли так далеко, щоб розпорошити розчин на бинти і над місцем операції під час операцій (рис.\(\PageIndex{c}\)). Він також вжив запобіжних заходів, щоб не вводити джерела інфекції зі своєї шкіри або одягу, видаливши пальто, закочуючи рукава та миючи руки в розведеному розчині карболової кислоти до і під час операції.

Малюнок\(\PageIndex{c}\): Джозеф Лістер ініціював використання карболової кислоти (фенолу) під час операцій. Ця ілюстрація операції показує, що під тиском каністра карболової кислоти розпилюється над хірургічним місцем.

Аналіз захворювань у популяції

Епідеміологічні аналізи завжди проводяться стосовно популяції, яка є групою осіб, які піддаються ризику захворювання або стану. Населення можна визначити географічно, але якщо сприйнятлива лише частина особин у цій місцевості, можуть знадобитися додаткові критерії. Сприйнятливі особи можуть визначатися певною поведінкою, такою як внутрішньовенне вживання наркотиків, володіння певними домашніми тваринами або членство в установі, наприклад коледжі. Можливість визначити населення важлива, оскільки більшість заходів, що представляють інтерес до епідеміології, проводяться з посиланням на чисельність населення.

Стан хворого називається захворюваністю. Хворобливість у популяції може виражатися декількома різними способами. Хворобливість, або загальна захворюваність, виражається в чисельності особин без прив'язки до чисельності популяції. Рівень захворюваності може виражатися як кількість хворих особин із стандартної кількості особин у популяції, наприклад 100 000, або як відсоток населення.

Існує два аспекти захворюваності, які мають відношення до епідеміолога: поширеність захворювання та його захворюваність. Поширеність - це кількість або частка осіб з певною хворобою в даній популяції в певний момент часу. Наприклад, Центри з контролю та профілактики захворювань (CDC) підрахували, що близько 1,2 мільйона людей у США жили з активною інфекцією вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ) у 2018 році. Виражається у вигляді частки, або норми, це поширеність 367 інфікованих осіб на 100 000 населення. З іншого боку, захворюваність - це кількість або частка нових випадків за певний проміжок часу. За той же рік CDC підрахував, що було 36 400 нещодавно діагностованих випадків ВІЛ-інфекції, що становить 11,1 нових випадків на 100 000 населення. Взаємозв'язок між захворюваністю та поширеністю можна побачити на малюнку\(\PageIndex{d}\). Для хронічного захворювання, такого як ВІЛ-інфекція, поширеність, як правило, буде вищою, ніж захворюваність, оскільки вона являє собою сукупну кількість нових випадків протягом багатьох років за вирахуванням кількості випадків, які більше не активні (оскільки пацієнт помер або був вилікуваний).

Малюнок\(\PageIndex{d}\): Кількість людей, які живуть з ВІЛ (поширеність), нові інфекції ВІЛ/СНІД (захворюваність) та смертність від ВІЛ/СНІДу в США з 1990 по 2017 рік. Поширеність та захворюваність також можуть бути виражені у вигляді норми або пропорції для даного населення. Кількість людей, які живуть з ВІЛ, з часом збільшилася, але кількість нових інфекцій коливалася. Смерть досягла максимуму приблизно в 1995 році і з тих пір зменшилася. Зображення Макса Розера та Ханни Річі (2018) - "ВІЛ/СНІД». Опубліковано в Інтернеті на сайті Ourworldindata.org. (CC-BY).

Окрім рівня захворюваності, також може повідомлятися про захворюваність та поширеність смертності (смерті). Рівень смертності може виражатися як відсоток населення, яке померло від хвороби, або як кількість смертей на 100 000 осіб (або інше відповідне стандартне число).

закономірності захворюваності

Захворювання, які спостерігаються лише зрідка, і зазвичай без географічної концентрації, називаються спорадичними захворюваннями. Приклади спорадичних захворювань включають правець, сказ та чуму. У Сполучених Штатах Clostridium tetani, бактерія, яка викликає правець, є повсюдною в грунтовому середовищі, але випадки зараження трапляються лише рідко і в розкиданих місцях, оскільки більшість людей вакциновані, чисті рани належним чином, або лише рідко перебувають у ситуації, яка спричинить зараження. Так само в Сполучених Штатах щороку є кілька розсіяних випадків чуми, зазвичай заражаються від гризунів у сільській місцевості в західних штатах.

Захворювання, які постійно присутні (часто на низькому рівні) у популяції в межах певного географічного регіону, називаються ендемічними захворюваннями. Наприклад, малярія є ендемічною для деяких регіонів Бразилії, але не є ендеміком США.

Захворювання, для яких більша, ніж очікувалося, кількість випадків відбувається за короткий час в межах географічного регіону, називаються епідемічними захворюваннями. Грип є хорошим прикладом поширеного епідемічного захворювання. Захворюваність грипом, як правило, зростає щозими в північній півкулі. Ці сезонні збільшення очікуються, тому не було б точно сказати, що грип є епідемією щозими; однак деякі зими мають зазвичай велику кількість випадків сезонного грипу в окремих регіонах, і такі ситуації кваліфікуються як епідемії (цифри\(\PageIndex{e-f}\)).

Малюнок\(\PageIndex{e}\): У сезоні грипу 2007—2008 років у США було значно вищим, ніж зазвичай, кількість відвідувань відділень невідкладної допомоги з приводу грипоподібних симптомів порівняно з попереднім та наступним роками. Національний базовий рівень становить близько 2,5%. Всі роки мають невеликий пік у січні і більший пік лютого по квітень. 2007-2008 був найбільший пік у лютому по квітень. 2008 - 2009 рік мав додатковий пік з травня по вересень. (кредит: зміна роботи Центрів контролю та профілактики захворювань)

Малюнок\(\PageIndex{f}\): Поріг сезонної епідемії (синя крива) встановлюється даними на основі CDC за попередні п'ять років. Сезонний базовий рівень коливається до максимуму взимку. Епідемічний поріг всього на піввідсотка вище базового рівня. Фактична смертність коливається вище і нижче обох цих ліній. Коли фактичні показники смертності перевищують цей поріг, захворювання вважається епідемічним. Як показує цей графік, смертність, пов'язана з пневмонією та грипом, спостерігалася яскраво виражені епідемії взимку 2003—2004, 2005 та 2008 років. (кредит: зміна роботи Центрів контролю та профілактики захворювань)

Епідемія, яка виникає у світовому масштабі, називається пандемічною хворобою. Наприклад, ВІЛ/СНІД (синдром набутого імунодефіциту) та коронавірусна хвороба 19 (COVID-19) є пандемічними захворюваннями, а нові штами вірусу грипу часто стають пандемією.

Етіологія

При вивченні епідемії перше завдання епідеміолога - визначити причину захворювання, звану етіологічним збудником або збудником. Підключення захворювання до конкретного збудника може бути складним завданням через додаткові зусилля, які зазвичай потрібні для демонстрації прямого причинного зв'язку, на відміну від простої асоціації. Недостатньо спостерігати зв'язок між хворобою і підозрюваним збудником; для усунення інших можливих причин необхідні контрольовані експерименти. Крім того, патогени, як правило, важко виявити, коли немає негайного підказки щодо того, що викликає спалах. Ознаки та симптоми захворювання також зазвичай неспецифічні, що означає, що багато різних агентів можуть викликати однаковий набір ознак та симптомів. Це ускладнює діагностику навіть тоді, коли збудник знайомий вченим.

Роберт Кох був першим вченим, який спеціально продемонстрував збудника хвороби (сибірської виразки) в кінці 1800-х років. Кох розробив чотири критерії, тепер відомі як постулати Коха, яким довелося відповідати, щоб позитивно пов'язати хворобу з патогенним мікробом (фігура\(\PageIndex{g}\)). Між 1876 і 1905 роками багато поширених захворювань були пов'язані з їх етіологічними агентами, включаючи холеру, дифтерію, гонорею, менінгіт, чуму, сифіліс, правець та туберкульоз. Сьогодні ми використовуємо молекулярні постулати Коха, варіацію оригінальних постулатів Коха. (Детальніше про обидва можна прочитати тут. )

Малюнок\(\PageIndex{g}\): Кроки для підтвердження того, що збудник є причиною певного захворювання за допомогою постулатів Коха. (1) Тільки хворі організми повинні містити підозрюваного збудника (потенційного збудника). (2) Збудник хворих організмів повинен культивуватися (вирощуватися в лабораторії). (3) культивований агент повинен викликати те саме захворювання, коли здорова, сприйнятлива особа заражена ним (щеплена). (4) Цей же збудник повинен бути виділений і культивований від людини на попередньому етапі. Зображення та підпис (модифіковані) з OpenStax (CC-BY).

Як поширюються хвороби

Розуміння поширення інфекційних збудників має вирішальне значення для запобігання інфекційним захворюванням. Щоб хвороботворні мікроорганізми зберігалися протягом тривалого періоду часу, їм потрібні резервуари, де вони зазвичай проживають. Водоймами можуть бути живі організми (щури, кажани, єноти, худобу і т.д.) або неживі ділянки. Неживі водойми можуть включати грунт і воду в навколишнє середовище. Вони, природно, можуть приховувати організм, оскільки він може рости в цьому середовищі. Ці середовища також можуть забруднюватися патогенами в людському калі, патогенами, що скидаються проміжними господарями, або патогенами, що містяться в залишках проміжних господарів.

Особа, здатного передавати збудник без прояву симптомів, відносять до носіїв. Пасивний носій заражений збудником і може механічно передавати його іншому господареві, однак пасивний носій не заражений. На відміну від цього, активним носієм є інфікована особина, яка може передавати хворобу оточуючим. Активний носій може проявляти, а може і не проявляти ознак або симптомів інфекції.

Незалежно від резервуара, передача повинна відбуватися для поширення інфекції. Контактна передача включає прямий контакт або непрямий контакт. Передача від людини до людини - це форма прямої контактної передачі. Тут агент передається фізичним контактом між двома особами (фігурою\(\PageIndex{h}\)) за допомогою таких дій, як дотик, поцілунки, статевий акт або крапельні спреї. Непряма контактна передача включає неживі предмети, звані фомітами, які забруднюються патогенами від зараженої особини або резервуара (малюнок\(\PageIndex{i}\)). Наприклад, людина з застудою може чхати, змушуючи крапельки приземлитися на фоміт, такий як скатертина або килим, або людина може протерти ніс, а потім перенести слиз на фоміт, такий як дверна ручка або рушник.

Малюнок\(\PageIndex{h}\): Пряма контактна передача патогенів може відбуватися через фізичний контакт. Багато хвороботворні мікроорганізми вимагають контакту зі слизовою оболонкою для потрапляння в організм, але господар може перенести збудника з іншої точки контакту (наприклад, руки) на слизову оболонку (наприклад, рот або око). (кредит залишився: модифікація твору Лізи Дохнерт)

Малюнок\(\PageIndex{i}\): Фоміти - це неживі об'єкти, які полегшують непряму передачу патогенів. Забруднені дверні ручки, рушники та шприци - все це поширені приклади фомітів. (кредит ліворуч: модифікація роботи Кейт Тер Хаар; кредитна середина: модифікація роботи Вернона Сванепоеля; кредит праворуч: модифікація роботи «Zaldylmg» /Flickr)

Передача транспортного засобу стосується передачі патогенних мікроорганізмів через транспортні засоби, такі як вода, їжа та повітря. Забруднення води за допомогою поганих методів санітарії призводить до передачі хвороби через воду. Хвороба, що передається водою, залишається серйозною проблемою в багатьох регіонах світу. За оцінками Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ), забруднена питна вода є причиною понад 500 000 смертей щороку. Аналогічно, їжа, забруднена внаслідок поганого поводження або зберігання, може призвести до передачі хвороб харчовим шляхом. Пил і дрібні частинки, відомі як аерозолі, які можуть плавати в повітрі, можуть переносити хвороботворні мікроорганізми та полегшувати повітряно-крапельну передачу хвороби.

Захворювання також можуть передаватися механічним або біологічним переносником, твариною (як правило, членистоногим), яка переносить хворобу від одного господаря до іншого. Кліщі, блохи, комарі - приклади векторів (малюнок\(\PageIndex{j}\)). Механічній передачі сприяє механічний вектор - тварина, яка переносить збудника від одного господаря до іншого, не заразившись себе. Біологічна передача відбувається, коли збудник розмножується всередині біологічного вектора, який передає збудник від одного господаря іншому (малюнок\(\PageIndex{k}\)).

Малюнок\(\PageIndex{j}\): Комар Anopheles є переносником для Plasmodium, який викликає малярію. Зображення Алана Р Уокера (CC-BY-SA).

Малюнок\(\PageIndex{k}\): (а) Механічний вектор переносить збудника на своєму тілі від одного господаря до іншого, а не як інфекцію. Крок 1: муха забирає збудника з калових мас і переносить його по своєму тілу. 2: Муха переносить збудника в їжу. 3: Людина їсть заражену їжу і хворіє. (б) Біологічний вектор переносить збудника від одного господаря до іншого після зараження. Крок 1: Заражені укуси комарів неінфікованої людини. 2: Інфекції поширюються по тілу і в еритроцити. 3: Другий комар укусів зараженої людини. Тепер комар може передавати інфекцію іншій людині.

Деградація екосистем може збільшити поширення хвороби за допомогою декількох механізмів. По-перше, це може сприяти популяціям переносників. Наприклад, вирубка лісів, греблі та урбанізація збільшують кількість стоячої води, збільшуючи середовище проживання переносників, таких як комарі. Крім того, зміна клімату може розширити спектр переносників захворювань, обмежених тропічними або субтропічними регіонами. По-друге, збої в круговороті води можуть створити умови, що сприяють хвороботворним мікроорганізмам. Наприклад, стік добрив із сільського господарства збільшує рівень поживних речовин, роблячи водойми більш придатними для бактерії, яка викликає холеру. Збільшення повені внаслідок змін у землекористуванні та зміни клімату також сприяє поширенню захворювань, що передаються водою.

Третій спосіб, яким деградація екосистем може збільшити поширення хвороб, - це зменшення біорізноманіття. Наприклад, хвороба Лайма викликається бактерією Borrelia і передається людині від дрібних ссавців (водойм) кліщами (цифрами\(\PageIndex{l-m}\)). Деякі водойми (білки і опосуми) видаляють кліщів, зменшуючи зараження, а ось польові миші цього не роблять. Фрагментація середовища проживання збільшила польових мишей щодо білків та опосумів і, таким чином, збільшила резервуар для хвороби Лайма.

Малюнок\(\PageIndex{l}\): Малюнок бактерії Borrelia burgdorferi, яка викликає хворобу Лайма. Зображення Ламіота (CC-BY-SA).

Малюнок\(\PageIndex{m}\): Життєвий цикл бактерії Borrelia burgdorferi, яка викликає хворобу Лайма. Кліщі можуть придбати цю бактерію, коли харчуються початковим господарем, а потім передають хворобу людині. Крок 1: Дорослі самки скидають господаря, щоб відкласти яйце. 2: Яйця вилуплюються в шестиногих личинок. 3: Личинки прикріплюються до першого господаря (різних дрібних ссавців) і можуть придбати B. burgdorferi. 4: Личинки линяють у німф після виходу з першого господаря. 5: Німфи приєднуються до другого господаря і харчуються другим господарем і можуть придбати B. burgdorferi. 6: Німфи линяють на дорослих після виходу з другого господаря. 7: Дорослі прикріплюються до третього господаря (наприклад, оленя) для годування та спаровування. 8: Стрілка гілки з кроку 4 вказуючи на те, що заражені німфи харчуються людьми, передаючи B. burgdorferi. 9: Інфіковані дорослі харчуються собаками, а іноді і людьми, передаючи B. burgdorferi. Зображення Робочої групи з кліщової хвороби 2018 Звіт Конгресу.

Особи, підозрювані або відомі, що зазнали впливу певних інфекційних патогенів, можуть бути поміщені на карантин або ізольовані, щоб запобігти передачі захворювання іншим. Лікарні та інші медичні заклади, як правило, створюють спеціальні палати для ізоляції пацієнтів з особливо небезпечними захворюваннями, такими як туберкульоз або COVID-19 (рисунок\(\PageIndex{n}\)). Залежно від обстановки ці палати можуть бути обладнані спеціальними методами обробки повітря, а персонал може впроваджувати спеціальні протоколи для обмеження ризику передачі, такі як засоби індивідуального захисту або використання хімічних дезінфікуючих спреїв при вході та виході медичного персоналу.

Малюнок\(\PageIndex{n}\): (а) Аеромедична система біологічного стримування (ABCS) - це модуль, розроблений CDC та Міністерством оборони спеціально для транспортування високозаразних пацієнтів повітрям. (b) Ізоляційний відділ для пацієнтів з Еболою в Лагосі, Нігерія. (кредит a: зміна роботи Центрів контролю та профілактики захворювань; кредит b: модифікація роботи CDC Global)

Атрибуція

Модифікований Мелісою Ха з хвороб та епідеміології з мікробіології OpenStax (ліцензований під CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.