A mathematical model for assessing vaccination's efficacy as a preventative strategy against newly emerging COVID-19 variants

Abstract

Objective

This study aims to evaluate the effectiveness of vaccination in curbing the spread of emerging SARS-CoV-2 variants using the SEVIAR mathematical model with Caputo fractional orders. The model integrates vaccine-induced immunity and assesses the impact of vaccination on transmission dynamics while determining herd immunity thresholds.

Method

The SEVIAR model was applied to real-world data from Rivers State, Nigeria, to simulate disease transmission dynamics within vaccinated populations. Fractional calculus was employed to address the complexities of disease spread and the nuanced effects of vaccination. Sensitivity analyses and computer simulations were performed to examine the influence of varying vaccination rates and timing on mitigating variant transmission and reducing hospitalization rates.

Results

The findings demonstrate a strong association between higher vaccination rates and decreased transmission and hospitalization, even amid the emergence of new SARS-CoV-2 variants. Sensitivity analysis highlighted the critical role of early diagnosis and timely immunization in controlling the spread of variants. Thresholds for achieving herd immunity were identified, underscoring the need for sustained high vaccination coverage to manage variant transmission effectively.

Conclusions

The study underscores the importance of continuous and robust vaccination campaigns, particularly in the context of evolving COVID-19 variants. It highlights the utility of fractional calculus in modeling the dynamics of SARS-CoV-2 variants and optimizing public health responses. For policymakers, these findings provide valuable guidance in formulating strategies to address the challenges posed by emerging virus strains. Given the virus's evolving nature, ongoing evaluation of vaccine efficacy and adaptive public health strategies are essential to controlling the pandemic effectively.

RESUMEN

Objetivo.

El objetivo de este estudio es evaluar la efectividad de la vacunación, para frenar la propagación de las variantes emergentes de SARS-CoV-2 utilizando el modelo matemático SEVIAR con órdenes fraccionales de Caputo. Dicho modelo integra la inmunidad inducida por la vacuna y evalúa el impacto de la vacunación en la dinámica de la transmisión, a la vez que determina los umbrales de la inmunidad de grupo.

Método

Se aplicó el modelo SEVIAR a los datos del mundo real del Estado de Rivers, Nigeria, para simular la dinámica de la transmisión de la enfermedad dentro de las poblaciones vacunadas. Se utilizó el cálculo fraccional para abordar las complejidades de la propagación de la enfermedad y los efectos matizados de la vacunación. Se realizaron análisis de sensibilidad y simulaciones informáticas para examinar la influencia de las tasas de vacunación variables y el tiempo en la mitigación de la transmisión de las variantes y la reducción de las tasas de hospitalización.

Resultados

Los hallazgos demuestran una fuerte asociación entre las tasas de vacunación más elevadas y la reducción de la transmisión y hospitalización, incluso en mitad de la emergencia de las nuevas variantes de SARS-CoV-2. El análisis de sensibilidad destacó el papel esencial del diagnóstico temprano y la inmunización oportuna para controlar la propagación de las variantes. Se identificaron los umbrales para alcanzar la inmunidad de grupo, subrayando la necesidad de una cobertura de vacunación sostenida para manejar la transmisión de la variante efectivamente.

Conclusiones

El estudio destaca la importancia de las campañas de vacunación continuas y sólidas, particularmente en el contexto de las variantes de COVID-19 en evolución. Destaca la utilidad del cálculo fraccional para modelar la dinámica de las variantes de SARS-CoV-2 y optimizar las respuestas de la sanidad pública. Para las autoridades responsables, estos hallazgos proporcionan una guía valiosa para la formulación de estrategias que aborden las dificultades que plantean las cepas de virus emergentes. Dada la naturaleza evolutiva de los virus, la evaluación continua de la eficacia de la vacuna y las estrategias de salud pública adaptativas son esenciales para controlar la pandemia de manera efectiva.