Zweibeinige Büchse der Pandora

Gefährliche und weniger gefährliche Virenträger

Infektionskrankheiten können sich schnell zu Epidemien oder sogar länderübergreifenden Pandemien entwickeln. Seit Jahren versuchen Wissenschaftler den Mechanismen der Ausbreitung und der Rollen infizierter Individuen in diesem Prozess auf den Grund zu gehen. Eine Person, die viel unterwegs ist und viele andere Menschen trifft, kann eine individuelle Büchse der Pandora darstellen. Forscher stellen nun Modellberechnungen angestellt, um Vorhersageszenarien zu entwickeln. Aktuell liegen neue Erkenntnisse aus den USA und ein neues Simulationsprogramm aus Deutschland vor.

Die Small-World-Theorie besagt, dass jeder von jedem im Internet nur sechs Klicks voneinander entfernt ist. Kein Wunder also, dass Computerwissenschaftler bereits errechneten, wie viel Effekt man theoretisch mit einer E-Mail auslösen kann (Der elektronische Schmetterlingsflügelschlag). Aber wie sieht das aus, wenn es um die reale und nicht die virtuelle Welt geht (Shagster – oder die mörderische Frage, wer mit wem schlief) und wenn statt Post eine Infektionskrankheit ausgeliefert wird?

Die Vergangenheit zeigt, dass sich immer wieder Pandemien beinahe lawinenartig und scheinbar unkontrolliert ausbreiteten und international viele Todesopfer forderten. Zwei Beispiele dafür sind die Pest, die im 14. Jahrhundert Europa entvölkerte (Der schwarze Tod: Pest oder Ebola?) und die Spanische Grippe, an der 1918/19 bis zu 50 Millionen Menschen starben (Angst vor der Grippe-Epidemie). Jetzt geht die Angst vor der Vogelgrippe um, die bei einer Mutation und folgender Ansteckung von Mensch zu Mensch eine Pandemie mit Massensterben auslösen könnte (Todbringende Vögel).

Das weltweite Flugnetz. Die Linien symbolisieren den Flugverkehr zwischen den 500 größten Flughäfen weltweit. Die Farbe der Linien codiert die "Stärke" der Verbindungen, d.h. die Anzahl der Reisenden zwischen zwei Flughäfen pro Tag. (Bild: Max-Planck-Institut für Strömungsforschung)

Wie leben in einer eng vernetzten Welt. Gerade Reisende, die sich irgendwo auf der Welt mit einer Krankheit infiziert haben, können schnell viele andere anstecken, mit denen sie in Berührung kommen. Das Beispiel der Panik, die durch die Lungenkrankheit SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) entstand, verdeutlicht dieses Risiko (Nosferatu in Hongkong).

Bereits vor einem Jahr stellten Forscher des Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen ein mathematisches Modell und eine entsprechende Computersimulation vor, um die Dynamik der Ausbreitung einer Epidemie in einem Netzwerk am Beispiel des weltweiten zivilen Luftverkehrs zu berechnen. Ihre Resultate stimmten verblüffend genau mit der realen geografischen Ausbreitung von SARS überein (Forecast and control of epidemics in a globalized world). Ziel dieser Analyse und anderer Simulationen ist die schnelle Reaktionsmöglichkeit im Fall der Auftauchens hochansteckender Infektionen – es geht um eine möglichst präzise Prognose, um sofort Impf-, Quarantäne- oder Behandlungsstrategien in petto zu haben.

Erst kürzlich deckten andere Max-Planck-Wissenschaftler auf, dass Ebola sich wie eine Welle und relativ gleichmäßig ausbreitet. Dadurch wird hoffentlich künftig eine geografisch gezielte Kontrolle des Ebola-Virus möglich (Neue Hoffnung für Menschen und Affen).

Superspreaders

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature präsentieren James O. Lloyd-Smith von der University of Berkeley und Kollegen von anderen amerikanischen und britischen Universitäten ihre Resultate der eingehenden Untersuchung von acht weit verbreiteten und tödlichen Infektionskrankheiten – darunter SARS, die Pocken, Affenpocken, Masern und die Lungenpest.

Als das Team die Daten von Ausbrüchen der letzten 60 Jahre genauer unter die Lupe nahm, stellten sie fest, dass es asymmetrische Infektionsmuster gibt. Sie gingen vom individuellen Niveau aus und es zeigte sich, dass die Mehrzahl der Infizierten niemand anderen ansteckt. Sie sind Sackgassen, in denen die Erreger ihren Endpunkt finden. Aber dann gibt es kleine Gruppe von Superspreaders (Super-Infizierern), die eine verhängnisvolle Rolle spielen. James Lloyd-Smith erklärt:

Krankheiten wie SARS führen zu großen Ausbrüchen, wenn die Krankheit den Haupttreffer landet, indem sich ein Superspreader ansteckt. Ein Superspreader kann zehn oder zwanzig oder noch mehr Leute anstecken, wenn die Bedingungen stimmen. In einem außergewöhnlichen Fall übertrug ein Seemann die Masern auf 250 andere Personen in Griechenland.

Besonders gefährdet und dadurch für andere gefährlich sind Patienten mit geschwächtem Immunsystem, zusätzliche Infektionen, beispielsweise einer Erkältung, oder solche, die sich nicht behandeln lassen bzw. falsch behandelt werden. Außerdem finden sich in bestimmten Berufsgruppen besonders oft Superspreaders, das gilt für Jobs mit vielen Kontakten und ganz besonders für medizinisches Personal.

Ein herausragendes individuelles Beispiel dafür war 2003 die Einschleppung von SARS nach Hongkong. „In diesem Fall war der Indexpatient ein Arzt, der sich die Infektion durch den Kontakt mit einem Patienten in China zugezogen hatte und dann nach Hongkong reiste und sich in einem Hotel einmietete – wodurch er in Kontakt zu vielen anderen Reisenden kam. Er steckte mindestens zehn Leute aus sechs verschiedenen Ländern an – aber was genau ihn so infektiös machte, ist noch unbekannt,“ erläutert Lloyd-Smith.

Diese Grafik verdeutlicht den „Erfolg“ des Superspreaders bei der Verbreitung von SARS 2003 in Hongkong. Die roten Figuren sind die Superspreader, ganz links der chinesische Arzt, der den Ausgangspunkt bildete. (Bild: James Lloyd-Smith, UC Berkeley)

Welche Faktoren einen Superspreader ausmachen, ist noch unklar. Wahrscheinlich hängt das zum einen von der jeweiligen Krankheit und zum anderen von biologischen sowie im Verhalten begründeten Komponenten ab. Bei sexuell übertragbaren Krankheiten sind z.B. die Promiskuität und der eigene Schutz von großer Bedeutung, wahrscheinlich aber auch genetische Dispositionen.

Die Vorstellung von einem Superspreader gab es auch im Fall von HIV/AIDS. Allerdings war sie falsch. Der so genannte „Patient Zero“, ein kanadischer Flugbegleiter mit vielen homosexuellen Sexualkontakten, wurde von einem Virologen für den Ausgangspunkt der Krankheit in den USA gehalten. Das bezweifelten andere Experten bereits Anfangs der 80er Jahre und spätere Untersuchungen, und Erkenntnisse über die lange Inkubationszeit gaben ihnen Recht (Die Legende von "Patient Null").

Simulator aus Deutschland

In Deutschland wurde ebenfalls ein neues Computerprogramm zur Simulation der Dynamik bei der Ausbreitung von Infektionskrankheiten entwickelt. Markus Schwehm und Martin Eichner von der Universität Tübingen haben im Rahmen eines EU-Projekts ein Simulationsprogramm zur Untersuchung von Epidemien und zur Optimierung von Interventionen entwickelt und inzwischen die Firma Explo-Sys gegründet.

Der Simulator ist das Resultat der interdisziplinären Zusammenarbeit des Epidemiologen Eichner und des Mathematikers Schwehm. Das Programm kann in kürzester Zeit den Verlauf von Infektionskrankheiten berechnen. Einbezogen werden 50 verschiedene Parameter wie Alter, Kontaktverhalten und Risikopotenzial von Personen, aber auch Art der Infektion und Ansteckungszeit. Deshalb kann es jeweils sehr schnell an die Eigenschaften eines neuen Erregers angepasst werden. Es soll vor allen dazu dienen, verschiedene Notfallpläne durchzurechnen.

Zurzeit können sich die jungen Unternehmer vor Anfragen in Sachen Vogelgrippe kaum retten. Zur Panik sehen die beiden keinen Anlass, sie sind aber überzeugt, dass im Fall eines neuen Influenza-Erregers ihr Simulator gute Dienste leisten kann. Martin Eichner meint:

Der Impfstoff gegen die Variante der Vogelgrippe, die Menschen befallen könnte, lässt sich erst nach einem Ausbruch der Krankheit herstellen, aber dann dauert es Monate, bis große Mengen davon produziert werden können. Wenn es nicht gelingt, den Ausbruch der Grippe im Ursprungsland bereits im Keim zu ersticken, dann geht es zumindest darum, den Ausbruch so lange zu verzögern, bis für möglichst viele Menschen Impfstoff verfügbar ist.

Medikamente können nach den Simulationen prophylaktisch ganz gezielt an Risikogruppen verteilt werden (Antivirale Medikamente gegen die Ausbreitung von Influenza). Der Notfall kann also berechnet werden und trifft dann die betroffenen Regionen nicht unvorbereitet. (Andrea Naica-Loebell)

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