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Tracking the COVID-19 epidemic in Switzerland: phylogenetics and epidemiological modeling

English title Tracking the COVID-19 epidemic in Switzerland: phylogenetics and epidemiological modeling
Applicant Althaus Christian
Number 196046
Funding scheme Special Call on Coronaviruses
Research institution Institut für Sozial- und Präventivmedizin Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Infectious Diseases
Start/End 01.06.2020 - 31.05.2022
Approved amount 295'487.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Infectious Diseases
Genetics

Keywords (4)

COVID-19; phylogenetic analysis; emerging infectious diseases; mathematical modeling

Lay Summary (German)

Lead
Nachdem die Pandemie des neuen Coronavirus (COVID-19) im Frühjahr 2020 auch die Schweiz erreicht hat, ist es von zentraler Bedeutung den weiteren Verlauf der Epidemie im Blick zu behalten. Dieses Projekt integriert phylogenetische Analysen von Virussequenzen mit epidemiologischer Modellierung um die Ausbreitung von SARS-CoV-2 in Echtzeit verfolgen zu können.
Lay summary
Im Verlauf vom Februar bis April 2020 war die Schweiz stark von der COVID-19-Pandemie betroffen, mit beträchtlichen Auswirkungen auf die Gesundheit, die Wirtschaft und die Gesellschaft. Nachdem die Infektionszahlen mit starken Kontrollmassnahmen drastisch reduziert werden konnten, bleibt es weiterhin wichtig einen genauen Überblick über den Verlauf der Epidemie zu behalten. Mit der Sequenzierung von SARS-CoV-2 aus verschiedenen Patienten lassen sich phylogenetische Analysen erstellen, welche die Ähnlichkeit verschiedener Virussequenzen bestimmen. Daraus lassen sich Rückschlüsse ziehen über die Verbreitung des Virus innerhalb der Schweiz und Europas. Zusätzlich werden häufig epidemiologische Modelle verwendet, welche die regionale oder kantonale Ausbreitung von Infektionskrankheiten nach Altersgruppen detailliert beschreiben können. Dieses Projekt hat das Ziel diese beiden Ansätze miteinander zu kombinieren, um - basierend auf der Plattform Nextstrain - ein umfassendes Bild der Ausbreitung von SARS-CoV-2 in der Schweiz zu erhalten.

Die erwarteten Resultate des Projekts werden wichtige Informationen für die Planung von weiteren Massnahmen zur Infektionskontrolle und eventuelle Vorbereitungen des Gesundheitssystems auf neu zu erwartende Krankheitsfälle liefern. Zusätzlich bietet das Projekt auch hilfreiche Information über die weitere Verbreitung des Virus in Europa, und Rückschlüsse über den Ursprung von Neuinfektionen in der Schweiz. Die neu entwickelte Plattform für die Echtzeitanalyse wird auch für die Überwachung von neuen Epidemien und Pandemien in der Zukunft von Nutzen sein.
Direct link to Lay Summary Last update: 11.06.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
188547 Recombination and reassortement in viral evolution 01.01.2020 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Background:In Switzerland, SARS-CoV-2 was first detected in late February, and the COVID-19 epidemic has grown to 10,456 confirmed cases and 145 reported deaths as of 25 March 2020. Across Europe, case numbers and fatalities have been doubling rapidly for several weeks. Alongside the all important patient care by health care professionals, scientists from all over the world have developed mathematical models of COVID-19 transmission and sequenced numerous viral genomes to track the spread and evolution of SARS-CoV-2. During the ongoing COVID-19 pandemic, Nextstrain has developed into the primary platform for real-time analysis of all available SARS-CoV-2 genomes. Sequence submissions from all over the world now paint a detailed phylogeographic picture and clearly show how outbreaks in different parts of the world are related. At the same time, epidemiological modeling efforts have provided essential input for policy makers and anticipated the scale of the outbreak early on. While these two computational approaches have the potential to inform each other, these efforts have been largely disjoint to date.Aims:We aim to integrate genomic epidemiology and epidemiological modeling in order to provide comprehensive inferences and projections for the COVID-19 epidemic in real-time. Specifically, we will apply genomic epidemiology to conduct phylogenetic analysis of SARS-CoV-2 sequence data specifically for Switzerland, apply epidemiological modeling to provide real-time analysis and projections of the COVID-19 epidemic in Switzerland, and expand the Nextstrain platform by an integrated modeling approach where phylogenetic analysis and epidemiological modeling inform each other.Methods:The proposal builds on well-established methodologies from two research teams that have made important contributions to the epidemiological understanding of the COVID-19 pandemic. Phylogenetic techniques are well established in the analysis of viral genomes and Nextstrain has shown how such analyses can be done in real-time. Detailed epidemiological models that are embedded in maximum likelihood and Bayesian frameworks offer great potential for real-time analyses and short-term projections of the spread of emerging infectious diseases.Impact:With continuing spread of SARS-CoV-2 and its consequences for people's health, the economy and the society, it will be critically important that decision makers have a detailed picture of the ongoing epidemiological situation during different phases of the epidemic. The integrated solution for real-time analysis that combines genomic epidemiology with epidemiological modeling within the Nextstrain platform will provide actionable information for decision makers, public health authorities, and for hospital planning. We will be able to track the COVID-19 epidemic across age groups and cantons, and identify transmission chains and links to outbreaks outside of Switzerland.The direct integration with epidemiological models will allow quantification of the phylogenetic information in terms of numbers of infected individuals, or stochasticity of transmission at high spatio-temporal resolution. Such fine-grained analyses and projections will be particularly important when infection control moves from generalized interventions to targeted measures. Finally, the resulting infrastructure will be available for the surveillance and management of other pathogens in the future.
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