Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1882610.36233/0372-9311-647NWVFFRORIGINAL RESEARCHESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticlePrediction of the incidence of lyme disease using mathematical modeling methods (using the example of the Kirov region)Прогнозирование заболеваемости иксодовым клещевым боррелиозом с использованием методов математического моделирования (на примере Кировской области)https://orcid.org/0000-0001-7587-3437UtenkovaElena O.УтенковаЕлена Олеговна
Russian Federation

Dr. Sci. (Med.), Associate Professor, Professor, Department of infectious diseases, Kirov State Medical University, Kirov, Russia

доктор мед. наук, доцент, профессор каф. инфекционных болезней

utelol@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-3270-1738KnyazhevIlya S.КняжевИлья Сергеевич
Russian Federation

student

студент

knyazhev-01@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-9747-4872ShchurNikolay S.ЩурНиколай Степанович
Russian Federation

student

студент

k-shchur@mail.ruKirov State Medical UniversityКировский государственный медицинский университет1205202510221791891005202510052025Copyright ©; 2025, Utenkova E.O., Knyazhev I.S., Shchur N.S.Copyright ©; 2025, Утенкова Е.О., Княжев И.С., Щур Н.С.2025Utenkova E.O., Knyazhev I.S., Shchur N.S.Утенкова Е.О., Княжев И.С., Щур Н.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/18826

Introduction. The Kirov region is an endemic region for Lyme disease (ixodic tick-borne borreliosis), which is caused by climatic conditions, an abundance of ticks and their feeders. The economic damage caused by Lyme disease includes the cost of treating patients and eliminating natural foci. Morbidity forecasting is necessary for planning preventive measures (acaricide treatments, awareness-raising activities with the population) and entomological monitoring. The effectiveness of such measures exceeds the above costs, which underlines the relevance of the study.

The aim of the study is to analyze the influence of various factors on the incidence of Lyme disease using mathematical modeling methods for further epidemiological forecasting using the example of the Kirov region.

Materials and methods. The data of the state reports «On the state of sanitary and epidemiological welfare of the population in the Kirov region» for 2006–2023 on the incidence of Lyme disease, the first and last reported cases of tick attachment to humans and the volume of acaricide treatments were studied. Hydrometeorological data: monthly and annual averages of air temperature, humidity, and precipitation. Spearman correlation analysis and multiple regression analysis were performed using the «Excel MS Office-2021» and «Statistica Advanced 12 for Windows RU» software. The level of p < 0.05 was chosen as a criterion of statistical significance.

Results. The interval forecast of incidence is up to 18.67 by 2024, 16.51 by 2025, and 14.36 per 100,000 population by 2026. Correlations between climatic factors and morbidity have been identified. A negative reliable correlation of moderate density was revealed between the incidence of Lyme disease in the Kirov region and the volume of acaricide treatments. Two forecasting models have been developed: based on the timing of the first and last reported cases of tick bites; based on hydrometeorological factors and the volume of acaricide treatment.

Conclusion. The incidence of Lyme disease in the Kirov region is characterized by a downward trend. Mathematical models for predicting morbidity in the Kirov region are proposed.

Введение. Кировская область — эндемичный регион по иксодовому клещевому боррелиозу (ИКБ), что обусловлено климатическими условиями, обилием клещей и их прокормителей. Экономический ущерб от ИКБ включает затраты на лечение больных и ликвидацию природных очагов. Прогнозирование заболеваемости необходимо для планирования профилактических мероприятий (акарицидных обработок, информационно-разъяснительной работы с населением) и энтомологического мониторинга. Эффективность таких мер превышает вышеуказанные затраты, что подчёркивает актуальность исследования.

Цель исследования — изучение влияния различных факторов на заболеваемость ИКБ с использованием методов математического моделирования для дальнейшего эпидемиологического прогнозирования на примере Кировской области.

Материалы и методы. Изучены данные государственных докладов «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Кировской области» за 2006–2023 гг. по заболеваемости ИКБ, первому и последнему зарегистрированным случаям присасывания клеща к человеку и объёму акарицидных работ. Гидрометеорологические данные: среднемесячные и среднегодовые значения температуры воздуха, влажности воздуха и объёма осадков. Проводили корреляционный анализ по Спирмену и множественный регрессионный анализ, в качестве критерия статистической значимости был выбран уровень p < 0,05.

Результаты. Интервальный прогноз заболеваемости: к 2024 г. — до 18,67 на 100 тыс. населения, к 2025 г. — 16,51, к 2026 г. — 14,36. Выявлены корреляции между климатическими факторами и заболеваемостью ИКБ, отрицательная достоверная корреляционная связь умеренной тесноты между заболеваемостью ИКБ в Кировской области и объёмом акарицидных работ. Разработаны две модели прогнозирования: на основе сроков первого и последнего зарегистрированных случаев присасывания клещей; на основе гидрометеорологических факторов и объёма акарицидных работ.

Заключение. Заболеваемость ИКБ в Кировской области характеризуется тенденцией к снижению. Предложены математические модели для прогнозирования заболеваемости ИКБ в Кировской области.

Lyme diseasemorbiditymathematical modelabiotic factorsbiotic factorsanthropogenic factorsиксодовый клещевой боррелиоззаболеваемостьматематическая модельабиотические факторыбиотические факторыантропогенные факторыMahajan V.K. Lyme disease: an overview. Indian Dermatol. Online J. 2023;14(5):594–604. DOI: https://doi.org/10.4103/idoj.idoj_418_22Рудакова С.А., Теслова О.Е., Муталинова Н.Е. и др. Эпидемиологическая ситуация по иксодовым клещевым боррелиозам в Российской Федерации в 2021 г. и прогноз на 2022 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2022;(2):46–53. Rudakova S.A., Teslova O.E., Mutalinova N.E., et al. Epidemiological situation on tick-borne borreliosis in the Russian Federation in 2021 and forecast for 2022. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2022;(2):46–53. DOI: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2022-2-46-53, EDN: https://elibrary.ru/xkxzolWang S.S., Liu J.Y., Wang B.Y., et al. Geographical distribution of Ixodes persulcatus and associated pathogens: аnalysis of integrated data from a China field survey and global published data. One Health. 2023;16:100508. DOI: https://doi.org/10.1016/j.onehlt.2023.100508Ястребов В.К., Утенкова Е.О. Актуальные направления эпидемиологического надзора за природно-очаговыми инфекциями (на примере Волго-Вятского региона). Здоровье населения и среда обитания — ЗНиСО. 2011;(12):25–7. Yastrebov V.K., Utenkova E.O. Actual trends of epidemiological inspection of natural foci infections (by the example of the Volga-Vyatsk region). Public Health and Life Environment – PH&LE. 2011;(12):25–7. EDN: https://elibrary.ru/ooqwlrЛюбезнова О.Н., Бондаренко А.Л., Карань Л.С. Зараженность клещей Ixodes persulcatus возбудителями различных заболеваний в эндемичном регионе европейской части России. Актуальная инфектология. 2014;(2):49–52. Lyubeznova O.N., Bondarenko A.L.1, Karan L.S. Infectiousness of Ixodes persulcatus ticks with pathogens of various diseases in endemic regions of European Russia. Journal Infectology. 2014;2(3):49–52. EDN: https://elibrary.ru/thebotЛопух П.С., Гладкая И.Н. Влияние природных факторов на возникновение и распространение природно-очаговых заболеваний (на примере клещевых инфекций). Вести БГПУ. Серия 3. Физика. Математика. Информатика. Биология. География. 2020;(3):33–6. Lopuch P.S., Gladkaya I.N. Influence of natural factors on appearance and spreading of natural-focal diseases (on the example of tick infections). BSPU Bulletin. Series 3, Physics. Mathematics. Biology. Geography. 2020;(3):33–6. EDN: https://elibrary.ru/xenxwaПрислегина Д.А., Дубянский В.М., Платонов А.Е., Малецкая О.В. Влияние природно-климатических факторов на эпидемиологическую ситуацию по природно-очаговым инфекциям. Инфекция и иммунитет. 2021;11(5):820–36. Prislegina D.A., Dubyanskiy V.M., Platonov A.E., Maletskaya O.V. Effect of the natural and climatic factors on epidemiological situation related to natural focal infections. Russian Journal of Infection and Immunity. 2021;11(5):820–36. DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-EOT-1631, EDN: https://elibrary.ru/eqduvjEisen R.J., Eisen L. Evaluation of the association between climate warming and the spread and proliferation of Ixodes scapularis in northern states in the Eastern United States. Ticks Tick Borne Dis. 2024;15(1):102286. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ttbdis.2023.102286Voyiatzaki C., Papailia S.I., Venetikou M.S., et al. Climate changes exacerbate the spread of Ixodes ricinus and the occurrence of Lyme borreliosis and tick-borne encephalitis in Europe — how climate models are used as a risk assessment approach for tick-borne diseases. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022;19(11):6516. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph19116516Дубянский В.М., Прислегина Д.А., Платонов А.Е. «Объясняющие» модели заболеваемости клещевыми инфекциями (на примере Астраханской риккетсиозной и Крымской-Конго геморрагической лихорадок). Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2023;100(1):34–45. Dubyanskiy V.M., Prislegina D.A., Platonov A.E. Explanatory models for tick-borne disease incidence (Astrakhan rickettsial fever and Crimean-Congo hemorrhagic fever). Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2023;100(1): 34–45. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-344, EDN: https://elibrary.ru/udgjntGray J.S., Kahl O., Lane R.S., et al. Diapause in ticks of the medically important Ixodes ricinus species complex. Ticks Tick Borne Dis. 2016;7(5):992–1003. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ttbdis.2016.05.006Voyiatzaki C., Papailia S.I., Venetikou M.S., et al. Climate changes exacerbate the spread of Ixodes ricinus and the occurrence of Lyme borreliosis and tick-borne encephalitis in Europe — how climate models are used as a risk assessment approach for tick-borne diseases. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022;19(11):6516. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph19116516McVicar M., Rivera I., Reyes J.B., Gulia-Nuss M. Ecology of Ixodes pacificus ticks and associated pathogens in the Western United States. Pathogens. 2022;11(1):89. DOI: https://doi.org/10.3390/pathogens11010089Deshpande G., Beetch J.E., Heller J.G., et al. Assessing the influence of climate change and environmental factors on the top tick-borne diseases in the United States: a systematic review. Microorganisms. 2023;12(1):50. DOI: https://doi.org/10.3390/microorganisms12010050Hromníková D., Furka D., Furka S., et al. Prevention of tick-borne diseases: challenge to recent medicine. Biologia (Bratisl.). 2022;77(6):1533–54. DOI: https://doi.org/10.1007/s11756-021-00966-9Eisen L. Control of ixodid ticks and prevention of tick-borne diseases in the United States: the prospect of a new Lyme disease vaccine and the continuing problem with tick exposure on residential properties. Ticks Tick Borne Dis. 2021;12(3):101649. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ttbdis.2021.101649Mac S., da Silva S.R., Sander B. The economic burden of Lyme disease and the cost-effectiveness of Lyme disease interventions: A scoping review. PLoS One. 2019;14(1):e0210280. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0210280Hook S.A., Jeon S., Niesobecki S.A., et al. Economic burden of reported Lyme disease in high-incidence areas, United States, 2014–2016. Emerg. Infect. Dis. 2022;28(6):1170–9. DOI: https://doi.org/10.3201/eid2806.211335van den Wijngaard C.C., Hofhuis A., Wong A., et al. The cost of Lyme borreliosis. Eur. J. Public Health. 2017;27(3):538–47. DOI: https://doi.org/10.1093/eurpub/ckw269Жигальский О.А. Анализ методов прогнозирования заболеваемости зоонозными инфекциями. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2012;(3):26–31. Zhigalsky O.A. The analysis of forecasting methods of morbidity from zoonotic infections. Epidemiology and Vaccinal Prevention. 2012;(3):26–31. EDN: https://elibrary.ru/ozinjpЛюбезнова О.Н., Бондаренко А.Л., Опарина Л.В., Ламбринаки Е.В. Эпидемиологические особенности боррелиозной инфекции на территории Кировской области. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2012;(6):24–8. Lyubeznova O.N., Bondarenko A.L., Oparina L.V., Lambrinaki E.V. Epidemiological features of a borrelial infection in the territory of the Kirov region. Epidemiology and Infectious Diseases. 2012;(6):24–8. EDN: https://elibrary.ru/pvblfbOstfeld R.S., Brunner J.L. Climate change and Ixodes tick-borne diseases of humans. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2015;370(1665):20140051. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0051Giesen C., Cifo D., Gomez-Barroso D., et al. The role of environmental factors in Lyme disease transmission in the European Union: a systematic review. Trop. Med. Infect. Dis. 2024;9(5):113. DOI: https://doi.org/10.3390/tropicalmed9050113Radolf J.D., Strle K., Lemieux J.E., Strle F. Lyme disease in humans. Curr. Issues Mol. Biol. 2021;42:333–84. DOI: https://doi.org/10.21775/cimb.042.333Гнатив Б.Р., Токаревич Н.К. Результаты многолетнего мониторинга клещевого вирусного энцефалита и клещевого боррелиоза в Республике Коми. Инфекция и иммунитет. 2021;11(4):707–22. Gnativ B.R., Tokarevich N.K. Long-term monitoring of tick-borne viral encephalitis and tick-borne borreliosis in the Komi Republic. Russian Journal of Infection and Immunity. 2021;11(4):707–22. DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-ROL-1299, EDN: https://elibrary.ru/nxhttsBouchard C., Dumas A., Baron G., et al. Integrated human behavior and tick risk maps to prioritize Lyme disease interventions using a 'One Health' approach. Ticks Tick Borne Dis. 2023;14(2):102083. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ttbdis.2022.102083Steinbrink A., Brugger K., Margos G., et al. The evolving story of Borrelia burgdorferi sensu lato transmission in Europe. Parasitol. Res. 2022;121(3):781–803. DOI: https://doi.org/10.1007/s00436-022-07445-3Dantas-Torres F. Climate change, biodiversity, ticks and tick-borne diseases: the butterfly effect. Int. J. Parasitol. Parasites Wildl. 2015;4(3):452–61. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijppaw.2015.07.001Millien V., Leo S.S.T., Turney S., Gonzalez A. It's about time: small mammal communities and Lyme disease emergence. Sci. Rep. 2023;13(1):14513. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41901-zReynolds C., Kontschán J., Takács N., et al. Shift in the seasonality of ixodid ticks after a warm winter in an urban habitat with notes on morphotypes of Ixodes ricinus and data in support of cryptic species within Ixodes frontalis. Exp. Appl. Acarol. 2022;88(1):127–38. DOI: https://doi.org/10.1007/s10493-022-00756-1Коротков Ю.С., Никитин А.Я., Антонова А.М. Роль климатических факторов в многолетней динамике заболеваемости населения г. Иркутск клещевым энцефалитом. Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. 2007;(3S):121–5. Korotkov Yu.S., Nikitin A.Ya., Antonova A.M. Role of the climatic factors in long-term dynamics of tickborn encephalitis disease of Irkutsk population. Bulletin of the East Siberian Scientific Center SB RAMS. 2007;(3S):121–5. EDN: https://elibrary.ru/kjaazpБериков В.Б., Лбов Г.С., Полякова Г.Л. и др. Анализ факторов, влияющих на заболеваемость клещевым энцефалитом, с использованием логико-вероятностных и корреляционно-регрессионных моделей. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2011;(6):25–34. Berikov V.B., Lbov G.S., Polyakova G.L., et al. Analysis of factors influencing the incidence of tick-borne encephalitis, using logical-and-probabilistic and correlation-regression models. Epidemiology and Vaccinal Prevention. 2011;(6):25–34. EDN: https://elibrary.ru/okmurl