Mathematical analysis of a symptom-structured epidemic model

Authors

  • Pedro Isaac Pesantes Grados Facultad de Ciencias Matemáticas, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Av. Venezuela S/N, Lima 01, Lima-Peú. https://orcid.org/0000-0003-2370-1419
  • Roxana López-Cruz : Facultad de Ciencias Matemáticas, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Av. Venezuela S/N, Lima 01, Lima-Perú.

DOI:

https://doi.org/10.17268/sel.mat.2021.02.07

Keywords:

vaccination, stability, sensitivity, COVID-19

Abstract

We propose a modification of the SLIAR (Susceptible- Latent-Symptomatic Infected- Asymptomatic- Recovered) mathematical-epidemiological model with vital dynamics. This model includes a vaccination control strategy, and a treatment to reduce the symptoms, also the symptomatic infected population is divided into two states according to its severity. The qualitative analysis shows the local stability of the disease-free equilibrium point and the endemic point. Simulations and the statistical sensitivity analysis are developed using a set of parameters for COVID-19, and we found that the transmission, recruitment, finally, vaccination rates are potential targets to control an outbreak.

Author Biography

Roxana López-Cruz, : Facultad de Ciencias Matemáticas, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Av. Venezuela S/N, Lima 01, Lima-Perú.

Mathematics, Ph.D. (Arizona State University-USA) Master en Matemáticas, (UNMSM) Estudios de Posgrado (IMPA - BRASIL) Licenciado en Matemáticas (UNMSM) Bachiller en Matemáticas (UNMSM) Profesor Principal e Investigador - Facultad de Ciencias Matemáticas - UNMSM Profesor Asociado e Investigador IDIC-ULIMA Miembro Directivo de la Sociedad Peruana de Matemática Aplicada y Computacional Miembro Asociado (Pro Secretaria) Academia Nacional de Ciencia y Tecnología Miembro Numerado del Colegio de Matemáticos del Perú Decana Nacional del Colegio de Matemáticos del Perú (2012-2014) ViceDecana del Colegio de Matemáticos del Perú (2014-2016) Académico Titular de la Academia Nacional de Ciencia y Tecnología Presidenta de la Sociedad Latinoamericana de Biología Matemática (SOLABIMA) (2015 - 2017). La Dra. Roxana López Cruz es la investigadora dedicada al estudio de modelos biomatemáticos, es la principal promotora de esta disciplina en nuestro país y la organizadora del Seminario Internacional de Biomatemática en Perú, principal evento en esta área. Como profesional en Matemáticas, actualmente se dedica a la difusión de la biomatemática (Matemáticas y Ciencias de la Vida) en Perú. Ella organiza varios eventos nacionales en el área donde expertos extranjeros se unen a jóvenes estudiantes de matemáticas y computación científica que lmuestran lo que aprendido en las aulas, trabajando en problemas relacionados con las ciencias de la vida, las matemáticas y la computación. Junto con otros colegas como epidemiólogos, está desarrollando proyectos de investigación y publicando artículos sobre temas relacionados con la epidemiología matemática (dinámica de la población) y con colegas matemáticos, nuestros temas principales para el modelado matemático es la ecología (especies de interacción y medio ambiente).

References

Abrams S, Wambua J, Santermans E, Willem L, Kuylen E, Coletti P, et al. Modelling the early phase of the Belgian COVID-19 epidemic using a stochastic compartmental model and studying its implied future trajectories. Epidemics. 2021;35(100449):100449.

Aguilar JB, Faust JS, Westafer LM, Gutierrez JB, Investigating the impact of asymptomatic carriers on COVID-19 transmission, medRxiv (preprint) (2020).

Amaya-Muvdi DA, Acercamientos a la epidemología de una enfermedad a través de sistemas compartimentales,B.S. thesis, Bogotá-Universidad de Los Andes, 2015.

Arino J, Brauer F, van den Driessche P, Watmough J, Wu J. Simple models for containment of a pandemic. J R Soc Interface. 2006;3(8):453–7.

Arino J, Brauer F, van den Driessche P, Watmough J, Wu J. A final size relation for epidemic models. Math Biosci Eng. 2007;4(2):159–75.

Arino J, Portet S. A simple model for COVID-19. Infect Dis Model. 2020;5:309–15.

Arino J. Mathematical epidemiology in a data-rich world. Infect Dis Model. 2020;5:161–88.

Brauer F. Some simple epidemic models. Math Biosci Eng. 2006;3(1):1–15.

Castillo-Salgado C, Mujica Ó J, Loyola E, Canela J ,Módulos de principios de epidemiología para el control de enfermedades, segunda edición. Organización Panamericana de la Salud. Washington D.C., 2011.

Chen J. Pathogenicity and transmissibility of 2019-nCoV-A quick overview and comparison with other emerging viruses. Microbes Infect. 2020;22(2):69–71.

Diekmann O, Heesterbeek JAP, Roberts MG. The construction of next-generation matrices for compartmental epidemic models. J R Soc Interface. 2010;7(47):873–85.

Kim S, Seo YB, Jung E. Prediction of COVID-19 transmission dynamics using a mathematical model considering behavior changes in Korea. Epidemiol Health. 2020;42:e2020026.

Kermack WO, McKendrick AG. A contribution to the mathematical theory of epidemics. Proc R Soc Lond A Math Phys Sci. 1927;115(772):700–21.

Lai C-C, Shih T-P, Ko W-C, Tang H-J, Hsueh P-R. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and coronavirus disease-2019 (COVID-19): The epidemic and the challenges. Int J Antimicrob Agents. 2020;55(3):105924.

Lauer SA, Grantz KH, Bi Q, Jones FK, Zheng Q, Meredith HR, et al. The incubation period of Coronavirus disease 2019 (COVID-19) from publicly reported confirmed cases: Estimation and application. Ann Intern Med. 2020;172(9):577–82.

Li R, Pei S, Chen B, Song Y, Zhang T, Yang W, et al. Substantial undocumented infection facilitates the rapid dissemination of novel coronavirus (SARS-CoV-2). Science. 2020;368(6490):489–93.

Liu Y, Gayle AA,Wilder-Smith A, Rockl¨ov J. The reproductive number of COVID-19 is higher compared to SARS coronavirus. J Travel Med. 2020;27(2). Available from: http://dx.doi.org/10.1093/jtm/taaa021.

Longini IM Jr, Halloran ME, Nizam A, Yang Y. Containing pandemic influenza with antiviral agents. Am J Epidemiol. 2004;159(7):623–33.

Marino S, Hogue IB, Ray CJ, Kirschner DE. A methodology for performing global uncertainty and sensitivity analysis in systems biology. J Theor Biol. 2008;254(1):178–96.

MINSA, Resolución Ministerial-139-2020-MINSA: Documento Técnico - Prevención y atención de personas afectadas por COVID-19 en el Perú,(MINSA) (2020) 6-9.

MINSA, Sala situacional COVID-19 Perú, updated to 28/09/2020 [Reviewed 29/09/2020],Ministerio de Salud de la República del Perú (MINSA). Available from: https://covid19.minsa.gob.pe/sala_situacional.asp.

Rasmussen AL, Popescu SV. SARS-CoV-2 transmission without symptoms. Science. 2021;371(6535):1206–7.

Romero-Brufau S, Chopra A, Ryu AJ, Gel E, Raskar R, Kremers W, et al. Public health impact of delaying second dose of BNT162b2 or mRNA-1273 covid-19 vaccine: simulation agent based modeling study. BMJ. 2021;373:n1087.

Tang B, Wang X, Li Q, Bragazzi NL, Tang S, Xiao Y, et al. Estimation of the transmission risk of the 2019-nCoV and its implication for public health interventions. J Clin Med. 2020;9(2):462.

van den Driessche P, Watmough J. Reproduction numbers and sub-threshold endemic equilibria for compartmental models of disease transmission. Math Biosci. 2002;180(1–2):29–48.

Wintachai P, Prathom K. Stability analysis of SEIR model related to efficiency of vaccines for COVID-19 situation. Heliyon. 2021;7(4): e06812.

Yang CY, Wang J. A mathematical model for the novel coronavirus epidemic in Wuhan, China. Math Biosci Eng. 2020;17(3):2708–24.

Yang CY, Wang J. Modeling the transmission of COVID-19 in the US–A case study. Infectious Disease Modelling 2021; 6:195-211.

Zhang T, Liu J, Teng Z. Existence of positive periodic solutions of an SEIR model with periodic coefficients. Appl Math (Prague). 2012;57(6):601–16.

Zhou F, Yu T, Du R, Fan G, Liu Y, Liu Z, et al. Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan, China: a retrospective cohort study. Lancet. 2020;395(10229):1054–62.

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Published

2021-12-27

How to Cite

Pesantes Grados, P. I., & López-Cruz, R. (2021). Mathematical analysis of a symptom-structured epidemic model . Selecciones Matemáticas, 8(02), 295-315. https://doi.org/10.17268/sel.mat.2021.02.07

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