Skip to main content
Revista Peruana de Medicina Experimental y Salud Publica logoLink to Revista Peruana de Medicina Experimental y Salud Publica
. 2023 Jun 30;40(2):213–219. doi: 10.17843/rpmesp.2023.402.11341
View full-text in Spanish

Urban COVID-19 endemism in Petrópolis: detection of an endemic focus by spatial analysis

Felix J Rosenberg 1, Caiett Genial 1, Bruno Cesar dos Santos 1
PMCID: PMC10953638  PMID: 38232268

ABSTRACT

This study aimed to identify an ecosystem of urban endemism that explains the persistence of SARS-CoV-2 during the first 18 months of the pandemic in the municipality of Petrópolis, Rio de Janeiro, Brazil. We analyzed official records of monthly COVID-19 cases, georeferenced according to the residence address of each confirmed case. Monthly heat maps identifying points with different spatial densities of the disease were constructed by applying the kernel methodology. Heat spots with five intensity levels were identified for the spatial density of cases. The points of highest intensity, known as hotspots, remained constant throughout the period in a polygon of approximately 4 km2 located in the center of the city of Petrópolis. In conclusion, we found that the highest concentration of cases remained in the same location over time, despite the sporadic dispersion of cases within the municipal territory.

Keywords: SARS-CoV-2, COVID-19, Pandemics, Ecoepidemiology, Disease Hotspot, Spatial Analysis, Brazil

INTRODUCTION

During the COVID-19 pandemic, several researchers used spatial analysis methods to identify the territorial determinants of its distribution, focusing on social inequalities and inequities in access to medical care. These studies have covered the risk of the disease at the regional or municipal level, using statistical records from the epidemiological surveillance systems of different countries, such as Ecuador 1, Mexico 2, Portugal 3, Germany 4, among others. In addition, there are extensive literature reviews on the use of geographic information analysis methods, particularly in China 5 and the United States 6.

Some authors have used heat maps to identify areas with a high relative density of cases, known as hotspots, in places as diverse as the state of Sergipe in Brazil 7 and Punjab in Pakistan 8. These studies have analyzed epidemiological surveillance data according to geopolitical divisions or through the use of heat maps of different scales, in order to define and describe areas of higher or lower epidemic risk at different times of the pandemic. In all cases, the virus is assumed to have been introduced in areas with a high risk of exposure, and it is considered that these hotspots experience epidemic outbreaks of different magnitudes depending on the size and density of the territory, but that they tend to decrease when the immunity of the exposed population reaches a certain level.

Over the last century, several concepts have been constructed on the basis of the “natural nidality of communicable diseases” developed by Pavlovsky 9; these concepts highlight the relevance of geographic space in determining the health-disease process 10. This allows us to analyze, in an integrated and dialectical manner, the effects of human intervention on environmental and climatic changes, as well as their impact on health, particularly regarding the emergence of new communicable diseases 11. In this context, the theory of the natural niches of communicable diseases was developed, which includes proposals for the control and even eradication of causal agents, in this respect Roche states that “we can define the niche of an organism as the position of this organism within its environment, available resources and competitors. Then, it is characterized by all the conditions required to sustain a viable population of the organism, in space and time.” 12.

Normally, these perspectives are applied to rural spaces or large geographical areas where different elements related with the viability, maintenance and transmission of the infectious agent coexist, including vectors or reservoirs, in addition to the susceptible host 13. This is considered an endemic condition, that is, a geographic space in which the infection is constantly maintained at a level that allows the continuous transmission of the disease 13. Thus, this study aimed to identify an ecosystem of urban endemism that explains the persistence of SARS-CoV-2 during the first 18 months of the pandemic in the municipality of Petrópolis, Rio de Janeiro, Brazil.

KEY MESSAGES

Motivation for the study. During the COVID-19 pandemic, spatial analysis methodologies were used to identify the territorial determinants of its distribution and social inequalities in access to medical care.

Main findings. We found a concentration of cases in a specific location of the municipality, which remained constant throughout the study period, with sporadic outbreaks in other areas.

Implications. It is necessary to pay attention to possible endemic foci of viral diseases in urban settings and to take measures to eliminate them as well as to prevent their spread within and outside the area.

THE STUDY

We carried out a descriptive and spatial analysis of confirmed cases of SARS-CoV-2 infection in the municipality of Petrópolis, located in the State of Rio de Janeiro, at a distance of approximately 70 km from the city of Rio de Janeiro. The municipality has a total area of 795,798 km2 and an average altitude of 738 m. According to projections, the total population was 306,678 inhabitants in 2020.

A total of 49,050 records of confirmed SARS-CoV-2 cases during the period from March 1, 2020 to August 31, 2021 (Table 1) were geocoded. The data were provided by the Municipal Health Secretariat - SMS/Petrópolis. We used the QuantumGIS® software to produce the maps and the Google® cartographic base was used for geocoding (Google Maps® API). In cases where the algorithm presented errors, such as in unnumbered routes, passages, avenues or lanes, data was verified by analyzing satellite images from Google Earth® and on-site visits to the identified addresses. In order to guarantee anonymity of the records, monthly heat maps were prepared that identified clusters with a higher spatial density of cases.

Table 1. Number of monthly records of geocoded COVID-19 cases in the Municipality of Petrópolis (March 2020 to August 2021).

Month and year n
March 2020 41
April 2020 795
May 2020 1012
June 2020 1127
July 2020 1129
August 2020 1044
September 2020 1065
October 2020 578
November 2020 1173
December 2020 2949
January 2021 2677
February 2021 1381
March 2021 2319
April 2021 2945
May 2021 7918
June 2021 6710
July 2021 5737
August 2021 8428

Source: Prepared by the authors based on data from the Municipal Health Secretariat of Petrópolis.

The kernel density estimation, widely known and used in the epidemiological context 14, was used to identify the areas with the highest concentration of cases. This estimation transforms the vector layer of points (georeferenced records) into a monochromatic raster data showing the concentration of cases across 30 cm pixels. The kernel density is a function that counts all points within a given region of influence, with probabilistic weighting based on the distance of each point from the location of interest 15-17.

We used two basic parameters for applying the kernel density method: the radius of influence and the k function 18. The radius of influence defines the area centered on the estimation point, which indicates how many events contribute to the estimate of the intensity function λ 15. For this study, we determined a radius of influence of 1 km, based on previous research 18.

The k function is less relevant than the radius of influence, since an alteration of the radius affects the entire possible interpolation field 19, which is more critical for the representation of the phenomena. We chose the quartic function among the most commonly used functions, which proved to be the most effective one in identifying clusters of cases (hotspots) within the chosen radius, without losing contact areas between hotspots (average areas), which made it possible to analyze the expansion or retraction of the virus over time, as well as its persistence in specific areas.

In order to better identify the physical area of the hotspots with the highest intensity and to monitor monthly disease persistence, a coordinate grid was created with squares of 1 km2 area, using the equirectangular projected coordinate system, in a layout similar to a Cartesian plane 20. Maps generated by kernel interpolation were overlaid on the squares to calculate a persistence score for each km2. The areas of highest heat intensity were transformed into vector data, where each pixel produced by the kernel interpolator was converted into a point with a weight proportional to its density. In this way, approximately 11 million pixel points were obtained for each 1 km square. The vector values of each of the monthly maps produced by kernel interpolation were summed, generating a quantifiable value for each square. These values were classified using the “false color” representation, simulating a multiband raster, which allowed the creation of a taxonomy of three-color spectra: blue (minimum values), yellow (intermediate values) and red (maximum values), with a gradient of five classes, including two intermediate classes.

Data from the 2010 Census 21, corresponding to the sectors relevant to the study and projected to the total population estimated for 2021 22, were used to characterize the area with the highest concentration of cases. Other relevant comments about the area were obtained through face-to-face visits by the researchers.

The Municipal Health Secretariat of the Municipality of Petrópolis authorized and provided the household records of the confirmed cases of COVID-19 as part of its epidemiological surveillance actions.

FINDINGS

We found that, from April 2020 onwards, the same location had the highest concentration of cases for the following 18 months, regardless of the total number of records in each month and the dispersion of cases in the municipal territory (Figure 1).

Figure 1. Monthly maps of COVID-19 records in the municipality of Petrópolis based on the kernel density methodology (March 2020 to August 2021).

Figure 1

Four quadrants with higher persistence were identified by adding the vector values corresponding to each month in each square of the 1 km2 coordinate system (Figure 2), forming a polygon similar to the areas of higher heat intensity observed monthly. Therefore, we identified that the epidemic in Petrópolis was concentrated in a single location, with sporadic outbreaks in other quadrants of the municipality.

Figure 2. Areas of higher persistence of COVID-19 cases through the determination of vector values of 1 km² quadrants (March 2020 to August 2021).

Figure 2

To identify this area of persistence, the Google ® satellite photo was superimposed on the cartographic base of the selected grids, which allowed the identification of the area corresponding to the “Historic Center” of the city and its immediate surroundings (Figure 3).

Figure 3. Area of higher persistence of COVID-19 in Petrópolis, enlarged with GoogleEarth® satellite images (March 2020 to August 2021).

Figure 3

Other central areas of the municipality also presented a considerable number of registered cases. However, this situation was not persistent throughout the period, suggesting the occurrence of possible localized outbreaks in time and space.

DISCUSSION

The use of spatial epidemiology in our study allowed us to understand the population dynamics of the disease, based on the urban organization of the municipality and the sociodemographic conditions. This provides the possibility of designing specific strategies to address each of these conditions, taking into account not only individual risk factors and virus transmission during epidemics or outbreaks, but also the characteristics of disease persistence in a given territory.

Most epidemiological analyses of the COVID-19 pandemic assume a transmission cycle that begins with the introduction of the agent into a given territory, followed by community transmission and the subsequent epidemic spread with transmission rates (Tr) greater than 1. This cycle is characterized by an initial increase in cases, followed by a plateau with transmission rates near 1, and finally a decrease as the number of susceptible individuals decreases. These successive epidemic waves may be attributed to the relaxation of social isolation measures 23 or to the introduction of new variants of the virus.

These reasons explain the persistence of the pandemic for more than 18 months at the global or national level, until finally a consistent decline occurred thanks to the high vaccination coverage achieved in developed countries. Therefore, health services around the world have focused on control mechanisms through sanitary barriers, whether at the international, national or local level. However, these measures, which have been effective in containing pandemics and more localized epidemic outbreaks in the past, appear to have been insufficient to contain the current COVID-19 pandemic. One possible reason for the shortfall of this strategy may be the lack of attention paid to potential endemic foci, i.e., “natural nests of the virus” in urban settings.

In this study, we considered a radius of 1 km to outline the heat circles. Theoretically, in territories of this size, a hotspot should rapidly achieve enough herd immunity to stop or at least significantly reduce virus transmission 24. However, the largest hot spot in the entire municipal territory was consistent during 18 months since the beginning of the epidemic, with small shifts that always remained within a polygon of less than 4 km2. Identifying the mechanisms by which the SARS-CoV-2 virus remains endemic would allow the implementation of measures that could not only eliminate this hotspot, but also prevent the effects of transmission within and beyond this endemic area.

The identified hotspot contains demographic and urban elements that explain the phenomenon. Petrópolis is a highly centralized municipality, like many in Brazil 25. The hotspot area coincides with the downtown area, which contains approximately 7% of the population. The tallest buildings in the city are located there, as well as a precarious community of significant size. This community interacts constantly with the nodal center of the polygon, 1-2 km2 away. The center concentrates federal, state and municipal public services, mostly exclusive to the entire municipality. In addition, there are medical offices, supermarkets, offices, popular and exclusive stores, markets and street fairs. There are also museums and tourist attractions, which generate a constant flow of municipal public transportation to the area.

Our study has some limitations. First, we used data collected during a specific period (March 1, 2020 to August 31, 2021) in the municipality of Petrópolis, Rio de Janeiro, Brazil. This means that the findings and conclusions of the study are applicable only to that period and geographic location, limiting their applicability to other areas or times during the pandemic. In addition, the study focuses on the use of spatial analysis methodologies and heat maps to identify areas of high concentration of cases, known as hotspots. While this provides valuable information on the spatial distribution of COVID-19 in Petrópolis, it is important to keep in mind that heat maps can be sensitive to variations of the population and event density, which may result in bias. In addition, the study is based on data provided by the Municipal Health Secretariat of Petrópolis, which raises the possibility of underreporting or biases in the data collected. Therefore, the results should be interpreted carefully and further studies are needed to corroborate and extend these findings to other geographical and temporal contexts.

In conclusion, this study identified an urban endemic focus of COVID-19 in the municipality of Petrópolis, Rio de Janeiro, Brazil, during the first 18 months of the pandemic. Using spatial analysis, we found that the highest concentration of cases remained in the same location over time, despite the dispersion of cases throughout the municipal territory. The persistence of the endemic focus over time raises questions about the control strategies used so far, as they do not seem to have been sufficient to contain the spread of the virus in this specific area.

Acknowledgments.

To the Municipal Health Secretariat of the Municipality of Petrópolis for providing the household records of the confirmed cases of COVID-19.

Funding Statement

Oswaldo Cruz Foundation

Funding.: The study was funded entirely by the Oswaldo Cruz Foundation.

Cite as:

Rosenberg FJ, Genial C, dos Santos BC. Urban COVID-19 endemism in Petrópolis: detection of an endemic focus by spatial analysis. Rev Peru Med Exp Salud Publica. 2023;40(2):213-9. doi: 10.17843/rpmesp.2023.402.11341.

References

  • 1.Ríos Quituizaca P, Calderón L, Piedra S, Guerrero J, Narváez A. Propuesta de análisis territorial para enfrentar la pandemia por SARS-CoV-2 basado en el perfil de neumonía e influenza en Ecuador 2016-2018 [Proposal for territorial analysis to face the SARS-CoV-2 pandemic based on the Profile of pneumonia and Influenza in Ecuador 2016-2018] Aten Primaria. 2021;53(5):102021–102021. doi: 10.1016/j.aprim.2021.102021. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 2.Mas JF, Pérez-Vega A. Spatiotemporal patterns of the COVID-19 epidemic in Mexico at the municipality level. PeerJ. 2021;9:e12685. doi: 10.7717/peerj.12685. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 3.Azevedo L, Pereira MJ, Ribeiro MC, Soares A. Geostatistical COVID-19 infection risk maps for Portugal. Int J Health Geogr. 2020;19(1):25–25. doi: 10.1186/s12942-020-00221-5. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 4.Scarpone C, Brinkmann ST, Große T, Sonnenwald D, Fuchs M, Walker BB. A multimethod approach for county-scale geospatial analysis of emerging infectious diseases a cross-sectional case study of COVID-19 incidence in Germany. Int J Health Geogr. 2020;19(1):32–32. doi: 10.1186/s12942-020-00225-1. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 5.Fatima M, O'Keefe KJ, Wei W, Arshad S, Gruebner O. Geospatial Analysis of COVID-19 A Scoping Review. Int J Environ Res Public Health. 2021;18(5):2336–2336. doi: 10.3390/ijerph18052336. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 6.Franch-Pardo I, Napoletano BM, Rosete-Verges F, Billa L. Spatial analysis and GIS in the study of COVID-19 A review. Sci Total Environ. 2020;739:140033–140033. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.140033. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 7.Andrade LA, Gomes DS, Góes MAO, Souza MSF, Teixeira DCP, Ribeiro CJN. Surveillance of the first cases of COVID-19 in Sergipe using a prospective spatiotemporal analysis the spatial dispersion and its public health implications. Rev Soc Bras Med Trop. 2020;53:e20200287. doi: 10.1590/0037-8682-0287-2020. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 8.Saeed U, Sherdil K, Ashraf U, Mohey-Ud-Din G, Younas I, Butt HJ. Identification of potential lockdown areas during COVID-19 transmission in Punjab, Pakistan. Public Health. 2021;190:42–51. doi: 10.1016/j.puhe.2020.10.026. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 9.Pavlovsky EN. Natural Nidality of Transmissible Diseases. Urbana and London: Univ. of Illinois Press; 1964. pp. 261–261. translation 1966, edited by N. D. Levine, xiv. [Google Scholar]
  • 10.Silva da LJ. O conceito de espaço na epidemiologia das doenças infecciosas. Cad Saúde Pública. 1997;13(4):585–593. doi: 10.1590/S0102-311X1997000400002. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 11.Wolfe ND, Dunavan CP, Diamond J. Origins of major human infectious diseases. Nature. 2007;447(7142):279–283. doi: 10.1038/nature05775. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 12.Roche B, Broutin H, Choisy M, Godreuil S, de Magny GC, Chevaleyre Y. The niche reduction approach an opportunity for optimal control of infectious diseases in low-income countries?. BMC Public. Health. 2014;14:753–753. doi: 10.1186/1471-2458-14-753. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 13.Rosenberg FJ, Astudillo VM, Goic RM. Proc. of the 2nd Int. Symp. on Veterinary Epidemiology and Economics. Canberra: Australian Government Printing Service; 1980. Regional strategies for the control of foot and mouth disease: an ecological outlook; pp. 587–596. [Google Scholar]
  • 14.Gatrell AC, Bailey TC. Interactive spatial data analysis in medical geography. Soc Sci Med. 1996;42(6):843–855. doi: 10.1016/0277-9536(95)00183-2. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 15.Câmara G, Carvalho MS. Druck S, Carvalho MS, Câmara G, Monteiro AVM. Análise Espacial de Dados Geográficos. Brasília: EMBRAPA; 2004. Análise de eventos pontuais. [Google Scholar]
  • 16.Bergamaschi RB. SIG aplicado a segurança no trânsito: estudo de caso no município de Vitória - ES. Trabalho de Conclusão de Curso. Vitória: Universidade Federal do Espírito Santo; 2010. [Google Scholar]
  • 17.Kawamoto MT. Análise de técnicas de distribuição espacial com padrões pontuais e aplicação a dados de acidentes de trânsito e a dados de dengue de Rio Claro-SP. Botucatu, SP: Universidade Estadual Paulista, Instituto de Biociências de Botucatu; Universidade Estadual Paulista, Instituto de Biociências de Botucatu; 2012. maestría. [Google Scholar]
  • 18.Rizzatti M, Lampert Batista N, Cezar Spode PL, Bouvier Erthal D, Mauro de Faria R, Volpato Scotti AA, et al. Mapeamento da COVID-19 por meio da densidade de Kernel. 3. [13 de junio de 2023]. pp. 44–53. RMA. Disponible en: https://publicacoes.ifc.edu.br/index.php/metapre/article/view/1312 . [Google Scholar]
  • 19.Bailey TC, Gatrell AC. Interactive Spatial Data Analysis. London: Longman; 1995. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 20.Menezes PML, Fernandes MC. Roteiro de Cartografia. São Paulo: Oficina de textos; 2013. [Google Scholar]
  • 21.Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística . Características da população e dos domicílios. Censo demográfico de 2010. Rio de Janeiro: IBGE; 2020. [Google Scholar]
  • 22.Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística . Petrópolis. Cidades e Estados. Rio de Janeiro: IBGE; 2022. [Google Scholar]
  • 23.Aguiar M, Van-Dierdonck JB, Mar J, Cusimano N, Knopoff D, Anam V. Critical fluctuations in epidemic models explain COVID-19 post-lockdown dynamics. Sci Rep. 2021;11(1):13839–13839. doi: 10.1038/s41598-021-93366-7. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 24.Randolph HE, Barreiro LB. Herd Immunity Understanding COVID-19. Immunity. 2020;52(5):737–741. doi: 10.1016/j.immuni.2020.04.012. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 25.Oliveira GA de., Júnior Redefinição da centralidade urbana em cidades médias. Soc Nat. 2008;20(1):205–220. doi: 10.1590/S1982-45132008000100014. [DOI] [Google Scholar]
Rev Peru Med Exp Salud Publica. 2023 Jun 30;40(2):213–219. [Article in Spanish]

Endemismo urbano por COVID-19 en Petrópolis: Detección de un foco endémico mediante análisis espacial

Felix J Rosenberg 1, Caiett Genial 1, Bruno Cesar dos Santos 1

RESUMEN

Se realizó un estudio con el objetivo de identificar un ecosistema de endemismo urbano que explique la persistencia del SARS-CoV-2 durante los primeros 18 meses de la pandemia en el municipio de Petrópolis, Río de Janeiro, Brasil. Se analizaron los registros oficiales de casos mensuales de COVID-19, georreferenciados según el domicilio de residencia de cada caso confirmado y se elaboraron mapas de calor mensuales que identifican puntos con diferentes densidades espaciales de la enfermedad mediante la aplicación de la metodología de kernel. Se identificaron puntos de calor con cinco niveles de intensidad para la densidad espacial de casos. Los puntos de mayor intensidad, conocidos como «hotspots», se mantuvieron constantes durante todo el período en un polígono de aproximadamente 4 km2 ubicado en el centro de la ciudad de Petrópolis. En conclusión, se encontró que la mayor concentración de casos se mantuvo en la misma ubicación a lo largo del tiempo, a pesar de la dispersión esporádica de los casos en el territorio municipal.

Palabras clave: SARS-CoV-2, COVID-19, Pandemias, Ecoepidemiología, Punto Alto de Contagio de Enfermedades, Análisis Espacial, Brasil

INTRODUCCIÓN

Durante la pandemia de COVID-19, varios investigadores utilizaron metodologías de análisis espacial para identificar los determinantes territoriales de su distribución, centrándose en las desigualdades sociales y las inequidades en el acceso a la atención médica. Estos estudios han abarcado el riesgo de la enfermedad a nivel regional o municipal, utilizando registros estadísticos de sistemas de vigilancia epidemiológica en diferentes países como Ecuador 1, México 2, Portugal 3, Alemania 4, entre otros. Además, se han realizado extensas revisiones bibliográficas sobre el uso de métodos de análisis de información geográfica, destacando trabajos realizados en China 5 y en Estados Unidos 6.

Algunos autores han utilizado mapas de calor para identificar áreas con una alta densidad relativa de casos, conocidas como «hotspots», en lugares tan diversos como el estado de Sergipe en Brasil 7 y Punjab en Pakistán 8. Estos estudios han analizado datos de vigilancia epidemiológica según divisiones geopolíticas o mediante el uso de mapas de calor de diferentes escalas, con el fin de definir y describir áreas de mayor o menor riesgo epidémico en diferentes momentos de la pandemia. En todos los casos, se parte de la hipótesis de que el virus se introduce en áreas con un alto riesgo de exposición, y se considera que estos «hotspots» experimentan brotes epidémicos de diferentes magnitudes dependiendo del tamaño y densidad del territorio involucrado, pero que tienden a disminuir cuando la inmunidad de la población expuesta alcanza cierto nivel.

A partir de la noción de «nidalidad natural de las enfermedades transmisibles» desarrollada por Pavlovsky 9 en el siglo pasado, fueron construidos varios conceptos que resaltan la relevancia del espacio geográfico en la determinación del proceso salud-enfermedad 10. Esto nos permite analizar de manera integrada y dialéctica los efectos de la intervención humana en los cambios ambientales y climáticos, y su impacto en la salud, particularmente en la aparición de nuevas enfermedades transmisibles 11. En este contexto, se desarrolla la teoría de los nichos naturales de las enfermedades transmisibles, que incluye propuestas de control e incluso erradicación de los agentes causales, al respecto Roche plantea que «un nicho de un organismo se refiere a su posición dentro de su entorno, sus recursos y sus competidores. Está caracterizado por todas las condiciones necesarias para mantener una población viable del organismo en el espacio y en el tiempo» 12.

Normalmente, estas perspectivas se aplican a espacios rurales o a grandes áreas geográficas donde coexisten diferentes elementos que intervienen en la viabilidad, el mantenimiento y la transmisión del agente infeccioso, incluyendo vectores o reservorios, además del huésped susceptible 13. Esto se considera una condición endémica, es decir, un espacio geográfico en el cual la infección se mantiene constantemente a un nivel que permite la transmisión continua de la enfermedad en su población 13. Así, el objetivo del presente estudio fue identificar un ecosistema de endemismo urbano que explique la persistencia del SARS-CoV-2 durante los primeros 18 meses de la pandemia en la municipalidad de Petrópolis, Río de Janeiro, Brasil.

MENSAJE CLAVE

Motivación para realizar el estudio. Durante la pandemia de COVID-19, se han utilizado metodologías de análisis espacial para identificar los determinantes territoriales de su distribución y las desigualdades sociales en el acceso a la atención médica.

Principales hallazgos. Se observó una concentración de casos en una ubicación específica del municipio, que se mantuvo constante a lo largo del periodo estudiado, con brotes esporádicos en otras áreas.

Implicancias. Es necesario prestar atención a posibles focos de endemia de las enfermedades virales en entornos urbanos y tomar medidas para eliminarlos y evitar su propagación dentro y fuera de ellos.

EL ESTUDIO

Se realizó un análisis descriptivo y espacial de casos confirmados con SARS-CoV-2 en el Municipio de Petrópolis, ubicado en el Estado de Río de Janeiro, a una distancia aproximada de 70 km de la ciudad de Rio de Janeiro. El municipio tiene una superficie total de 795 798 km² y una altitud media de 738 m. Según las proyecciones para el año 2020, la población total era de 306 678 habitantes.

Se geocodificó un total de 49 050 registros de casos confirmados de SARS-CoV-2, durante el período del 1 de marzo de 2020 al 31 de agosto de 2021 (Tabla 1). Los datos utilizados fueron proporcionados por la Secretaría Municipal de Salud - SMS/Petrópolis. Para la geocodificación, se utilizó el software QuantumGIS® para la elaboración de los mapas y la base cartográfica de Google® para la geocodificación (API Google Maps®). En casos donde el algoritmo presentaba errores, como en rutas sin numeración, pasajes, avenidas o carriles, se realizó la verificación mediante el análisis de imágenes satelitales en Google Earth® y visitas in situ a los domicilios identificados. Con el fin de garantizar el anonimato de los registros, se elaboraron mapas mensuales de calor que identificaron agrupamientos (clusters) con mayor densidad espacial de casos.

Tabla 1. Número de registros mensuales de casos de COVID-19 geocodificados en el Municipio de Petrópolis (marzo de 2020 a agosto de 2021).

Mes y año n
Marzo 2020 41
Abril 2020 795
Mayo 2020 1012
Junio 2020 1127
Julio 2020 1129
Agosto 2020 1044
Setiembre 2020 1065
Octubre 2020 578
Noviembre 2020 1173
Diciembre 2020 2949
Enero 2021 2677
Febrero 2021 1381
Marzo 2021 2319
Abril 2021 2945
Mayo 2021 7918
Junio 2021 6710
Julio 2021 5737
Agosto 2021 8428

Fuente: Elaborado por los autores a partir de datos de la Secretaría Municipal de Salud de Petrópolis.

Se utilizó la estimación de concentración de densidad «kernel», ampliamente conocida y utilizada en el contexto epidemiológico 14, para identificar las áreas de mayor concentración de casos. Esta estimación transforma la capa vectorial de puntos (registros georreferenciados) en un dato de tipo matricial (raster) monocromático que muestra la concentración de casos a través de píxeles de 30 cm. La densidad de kernel es una función que cuenta todos los puntos dentro de una región de influencia determinada, con una ponderación probabilística basada en la distancia de cada punto desde la ubicación de interés 15-17.

Para la aplicación de la densidad de kernel, se utilizaron dos parámetros básicos: el radio de influencia y la función k 18. El radio de influencia define el área centrada en el punto de estimación, que indica cuántos eventos contribuyen a la estimación de la función de intensidad λ 15. Para este estudio, se determinó un radio de influencia de 1 km, basado en investigaciones previas 18.

La función k tiene menor relevancia que el radio de influencia, ya que una alteración en el radio afecta todo el campo de interpolación posible 19, lo cual es más crítico para la representación de los fenómenos. Entre las funciones más utilizadas, se optó por la función cuártica, que se mostró más eficaz para identificar conglomerados de casos (hotspots) en el radio elegido, sin perder áreas de contacto entre los hotspots (áreas promedio), lo que permitió analizar la expansión o retracción del virus a lo largo del tiempo, así como su persistencia en áreas específicas.

Con el fin de identificar mejor el área física correspondiente a los hotspots de mayor intensidad y monitorear la persistencia mensual de la enfermedad, se creó un cuadriculado de coordenadas con cuadrados de 1 km² de área, utilizando el sistema de coordenadas proyectadas equirectangular, en una disposición similar a un plano cartesiano 20. Los mapas generados por la interpolación de kernel se superpusieron a los cuadrados para calcular un score de persistencia para cada km². Las áreas de mayor intensidad de calor se transformaron en datos vectoriales, donde cada píxel producido por el interpolador kernel se convirtió en un punto con un peso proporcional a su densidad. De esta manera, se obtuvieron aproximadamente 11 millones de puntos en forma de píxeles en cada cuadrado de 1 km. Los valores vectoriales de cada uno de los mapas mensuales producidos por la interpolación kernel se sumaron, generando un valor cuantificable para cada cuadrado. Estos valores se clasificaron mediante la representación de «color falso», simulando un raster multibanda, lo que permitió crear una taxonomía de tres espectros de color: azul (valores mínimos), amarillo (valores intermedios) y rojo (valores máximos), con una graduación de cinco clases, incluyendo dos clases intermedias.

Se utilizaron los datos del Censo de 2010 21, correspondientes a los sectores censales pertinentes al área de estudio, proyectados a la población total estimada para 2021 22, para caracterizar el área de mayor concentración de casos. Otras observaciones relevantes sobre el área se obtuvieron mediante visitas presenciales de los investigadores.

La Secretaría Municipal de Salud del Municipio de Petrópolis autorizó y proporcionó los registros domiciliares de los casos confirmados de COVID-19 como parte de sus acciones de vigilancia epidemiológica.

HALLAZGOS

A partir del mes de abril de 2020, se observa que la mayor concentración de casos se mantiene en la misma ubicación durante los 18 meses siguientes, independientemente del número total de registros en cada mes y de la dispersión de los casos en el territorio municipal (Figura 1).

Figura 1. Mapas mensuales de registros de COVID-19 en el municipio de Petrópolis a partir de la metodología de densidad kernel (marzo de 2020 a agosto de 2021).

Figura 1

Al sumar los valores vectoriales correspondientes a cada mes en cada cuadrado del sistema de coordenadas de 1 km², se identifican cuatro cuadrantes con una persistencia mayor (Figura 2), formando un polígono similar a las áreas de mayor intensidad de calor observadas mensualmente. Identificando que la epidemia en Petrópolis se concentra en una única ubicación, con brotes esporádicos en otros cuadrantes del municipio.

Figura 2. Áreas de mayor persistencia de casos de COVID-19 a través de la determinación de valores vectoriales de cuadrantes de 1 km² (marzo de 2020 a agosto de 2021).

Figura 2

Para identificar esta área de persistencia, se superpuso la foto satelital de Google® a la base cartográfica de las cuadrículas seleccionadas, lo que permitió identificar el área correspondiente al «Centro Histórico» de la ciudad y su entorno inmediato (Figura 3).

Figura 3. Área de mayor persistencia de COVID-19 en Petrópolis, ampliada con imagen de satélite a través de GoogleEarth® (marzo de 2020 a agosto de 2021).

Figura 3

Otras áreas centrales del municipio también presentaron un nivel considerable de casos registrados. Sin embargo, esta situación no fue persistente a lo largo del periodo, lo que sugiere la ocurrencia de posibles brotes localizados en el tiempo y el espacio.

DISCUSIÓN

En el presente estudio, el uso de la epidemiología espacial permite comprender la dinámica poblacional de la enfermedad, basándose en la organización urbanística del municipio y las correspondientes realidades sociodemográficas. Esto brinda la posibilidad de diseñar estrategias específicas para abordar cada una de estas realidades, teniendo en cuenta no solo los factores de riesgo individual y la transmisión del virus durante momentos epidémicos o brotes agudos, sino también las características de persistencia de la enfermedad en un territorio dado.

En la mayoría de los análisis epidemiológicos de la pandemia de COVID-19, se parte de la premisa de un ciclo de transmisión que comienza con la introducción del agente en un territorio determinado, seguido de la transmisión comunitaria y la consecuente propagación epidémica con tasas de transmisión (Tr) superiores a 1. Este ciclo se caracteriza por un aumento inicial de casos, seguido de una meseta en las tasas de transmisión cercanas a 1, y finalmente una disminución a medida que los individuos susceptibles se vuelven menos numerosos en el territorio. Estas sucesivas olas epidémicas pueden ser atribuidas al relajamiento de las medidas de aislamiento social 23 o a la introducción de nuevas variantes del virus.

Estas explicaciones justifican la persistencia de la pandemia durante más de 18 meses a nivel global o nacional, hasta que finalmente se observa una disminución consistente gracias a las altas coberturas de vacunación alcanzadas en países desarrollados. Por lo tanto, los servicios de salud en todo el mundo se han enfocado en los mecanismos de control a través de barreras sanitarias, ya sea a nivel internacional, nacional o local. Sin embargo, estas medidas, que han sido efectivas en la contención de pandemias globales y brotes epidémicos más localizados en el pasado, parecen no haber sido suficientes para contener la actual pandemia de COVID-19. Una posible razón que contribuye a explicar la insuficiencia de esta estrategia puede ser la falta de atención prestada a posibles focos de endemia del virus, es decir, «nidos naturales del virus» en entornos urbanos.

En este estudio, se utilizó un radio de 1 km para delinear los círculos de calor. Teóricamente, en territorios de esta dimensión, un foco de calor debería alcanzar rápidamente una inmunidad de rebaño suficiente para extinguir o al menos reducir de manera significativa la transmisión del virus 24. Sin embargo, se observó que la mayor mancha de calor en todo el territorio municipal se registró de manera constante durante 18 periodos mensuales desde el inicio de la epidemia, con pequeños desplazamientos que siempre se mantuvieron dentro de un polígono de menos de 4 km². Identificar los mecanismos por los cuales el virus SARS-CoV-2 se mantiene endémico permitiría implementar medidas que no solo eliminaran este foco, sino que también evitaran los efectos de esta área endémica en la transmisión dentro y fuera de ella.

El foco de calor identificado concentra elementos demográficos y urbanísticos que explican el fenómeno. Petrópolis es una municipalidad altamente centralizada, como muchas en Brasil 25. El área de calor coincide con la zona céntrica, albergando aproximadamente el 7% de la población. Allí se encuentran los edificios más altos y una comunidad precarizada de tamaño significativo. Esta comunidad interactúa constantemente con el centro nodal del polígono, a 1-2 km² de distancia. El centro concentra servicios públicos federales, estatales y municipales, mayormente exclusivos para todo el municipio. Además, hay consultorios médicos, oficinas, supermercados, tiendas populares y exclusivas, mercados y ferias callejeras. También hay museos y atracciones turísticas, generando un flujo constante de transporte público municipal hacia el área.

El presente estudio tiene algunas limitaciones que deben tenerse en cuenta. En primer lugar, se basa en datos recopilados durante un período específico (del 1 de marzo de 2020 al 31 de agosto de 2021) en la municipalidad de Petrópolis, Río de Janeiro, Brasil. Esto significa que los hallazgos y conclusiones del estudio son aplicables solo a ese período y ubicación geográfica, lo que limita su generalización a otras áreas o momentos de la pandemia. Además, el estudio se centra en el uso de metodologías de análisis espacial y mapas de calor para identificar áreas de alta concentración de casos, conocidas como «hotspots». Si bien esto proporciona información valiosa sobre la distribución espacial del COVID-19 en Petrópolis, es importante tener en cuenta que los mapas de calor pueden ser sensibles a las variaciones en la densidad de población y eventos, lo que puede sesgar los resultados. Además, el estudio se basa en datos proporcionados por la Secretaría Municipal de Salud de Petrópolis, lo que plantea la posibilidad de que haya subregistro o sesgos en los datos recopilados. Por lo tanto, se requiere precaución al interpretar los resultados y se necesitan estudios adicionales para corroborar y ampliar estos hallazgos en otros contextos geográficos y temporales.

En conclusión, este estudio identificó un foco endémico urbano de COVID-19 en la municipalidad de Petrópolis, Río de Janeiro, Brasil, durante los primeros 18 meses de la pandemia. Utilizando un análisis espacial, se encontró que la mayor concentración de casos se mantuvo en la misma ubicación a lo largo del tiempo, a pesar de la dispersión de los casos en el territorio municipal. La persistencia del foco endémico a lo largo del tiempo plantea interrogantes sobre las estrategias de control utilizadas hasta ahora, ya que no parecen haber sido suficientes para contener la propagación del virus en esta área específica.

Agradecimientos.

A la Secretaría Municipal de Salud del Municipio de Petrópolis por proporcionar los registros domiciliares de los casos confirmados de COVID-19.

Financiamiento.: El trabajo fue financiado integralmente con recursos regulares del presupuesto de la Fundación Oswaldo Cruz.

Citar como: Rosenberg FJ, Genial C, dos Santos BC. Endemismo urbano por COVID-19 en Petrópolis: Detección de un foco endémico mediante análisis espacial. Rev Peru Med Exp Salud Publica. 2023;40(2):213-9. doi: 10.17843/rpmesp.2023.402.11341.


Articles from Revista Peruana de Medicina Experimental y Salud Publica are provided here courtesy of Instituto Nacional de Salud

RESOURCES